Transport náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách s aplikací na tantalové kondenzátory - Kopecký, Martin (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2015)
Studium transportu náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách se zaměřuje především na objasnění vlivu defektů na vodivost těchto vrstev. Soustředíme se na studium oxidových nanovrstev Ta2O5 vytvořených pomocí anodické oxidace. Proces výroby Ta2O5 zahrnuje řadu parametrů, jež ovlivňují koncentraci defektů (oxidových vakancí) v této struktuře. Vrstva oxidu Ta2O5 o tloušťce 20 až 200 nm se často používá jako dielektrikum pro tantalové kondenzátory, které se staly nedílnou součástí elektrotechnického průmyslu. Kondenzátory s Ta2O5 dielektrickou vrstvou lze modelovat jako strukturu MIS (kov – izolant – polovodič). Anodu tvoří tantal s kovovou vodivostí, katodu potom MnO2 či vodivý polymer (CP), které jsou polovodiče. Hodnoty elektronových afinit, respektive výstupních prací, jednotlivých materiálů potom určují výšku potenciálových bariér vytvořených na rozhraních kov-izolant (M – I) a izolant-polovodič (I – S). Dominantní mechanizmy transportu náboje lze určit analýzou I-V charakteristiky zbytkového proudu. Dominantní mechanizmy transportu náboje izolační vrstvou jsou ohmický, Poole-Frenkelův, Shottkyho a tunelování. Uplatnění jednotlivých vodivostních mechanismů je závislé na teplotě a intenzitě elektrického pole v izolantu. Hodnota zbytkového proud je významným indikátorem kvality daného izolantu. Ten závisí na technologii výroby kondenzátoru, významně především na parametrech anodické oxidace a na materiálu katody. I-V charakteristiky zbytkového proudu se měří v normálním a reversním módu, tj. normální mód značí kladné napětí na anodě a reversní mód záporné napětí na anodě. I-V charakteristika je výrazně nesymetrická, a proto tyto kondenzátory musí být vhodně polarizovány. Nesymetrie I-V charakteristiky se snižuje s klesající teplotou, při teplotě pod 50 K a je možno některé kondenzátory používat jako bipolární součástky. Z analýzy I-V charakteristiky lze určit řadu parametrů, jako tloušťku izolační vrstvy a koncentraci defektů v izolační Ta2O5 vrstvě a dále lze odhadnout parametry MIS modelu kondenzátoru - stanovit hodnotu potenciálových bariér na rozhraních M – I a I – S. Měření C-V charakteristik při různých teplotách v rozsahu 10 až 300 K je využíto pro určení výšky potenciálové bariéry na rozhraní I – S, závislosti kapacity na teplotě a dále pro výpočet efektivní plochy elektrod. Z výbrusu vzorků na skenovacím elektronovém mikroskopu byly určeny tloušťky dielektrika Ta2O5 pro jednotlivé vyhodnocované řady kondenzátorů.

The study of charge carrier transport in Ta2O5 oxide nanolayers is oriented on the explanation of the defects influence on the conductivity of these layers. We are concerned on the study of tantalum pentoxide nanolayers provided by the anodic oxidation. The technology process of oxide preparation contains many parameters which influence the defects concentration (probably oxygen vacancies) in the structure. Tantalum pentoxide of the thickness 20 to 200 nm is used as a dielectric layer in the tantalum capacitors. These capacitors can be considered as a metal-insulator-semiconductor (MIS) structure. Anode is formed from the tantalum powder with metallic conductivity and cathode is from manganese dioxide (MnO2) or conducting polymer (CP), respectively, both with semiconductor conductivity. The dominant mechanisms of the charge carriers’ transport in the Ta2O5insulating layer are ohmic, Poole-Frenkel, Schottky and tunneling, and these could be determined from the analysis of the leakage current I-V characteristic. Particular transport mechanisms are dependent on temperature and electric field in the insulation layer. The leakage current is important indicator of the insulation layer quality. Its value depends on the production technology, namely on the anodic oxidation and the cathode material. I-V characteristic is measured both in normal and reverse mode, it means the positive bias on anode for the normal mode and negative bias applied on anode for the reverse mode. I-V characteristic is asymmetric at the room temperature. This asymmetry decreases with decreasing temperature, and for the temperature below 50 K some of capacitors could be used as bipolar devices. From the analysis of I-V characteristic many parameters as insulator layer thickness or defect concentration in the Ta2O5 layer could be determined. We can also asses the MIS model parameters and determine the value of potential barriers on the M – I and I – S interfaces. C-V characteristics measurements and their temperature dependencies could be used for the estimation of capacitor electrodes affective area and the defects’ concentration in the Ta2O5 layer. The analysis of the capacitor cross-sections was performed by scanning electron microscope and the measurements of Ta2O5 layer thickness were performed for the each series of the capacitors.
Charge Carrier Transport in Ta2O5 Oxide Nanolayers with Application to the Tantalum Capacitors
Keywords: tantalové kondenzátory; MIS struktura; transport elektronu; tunelový proud; oxid tantaličný; vodivý polymer; oxid manganičitý; Ta2O5; tantalum capacitor; MIS structure; electron transport; tunneling current; tantalum pentoxide; conducting polymer; manganese dioxide; Ta2O5