Characterization, modeling and reliability of RF MEMS Switches and Photovoltaic Silicon Solar Cells

Lo scopo principale di questa tesi è investigare i meccanismi di rottura e l'affidabilità di interruttori RF MEMS e celle solari. I problemi affidabilistici sono spesso considerati dagli sviluppatori un problema secondario nei dispositivi elettronici dal momento che non sono considerati un fattore importante nella catena produttiva. Questo concetto sta cambiando negli ultimi anni visto che gli studi affidabilistici stanno diventando uno step tecnologico per migliorare i processi produttivi stessi. Questo fatto è confermato dagli innumerevoli investimenti che le aziende stanno elargendo per testare i loro prodotti. Nel caso particolare di questa tesi possiamo facilmente menzionare la linea produttiva di una cella solare dove le celle sono soggette a test di affidabilità che estrapolano l'efficienza e il fill factor. Questo permette di studiare le prestazioni delle celle e di conseguenza di migliorare il processo produttivo. Interruttori RF MEMS I sistemi di comunicazione Wireless per applicazioni spaziali richiedono componenti elettronici con un alto livello di affidabilità, un consumo di potenza basso e un’occupazione di spazio ridotta in modo da essere integrati in un satellite. Gli interruttori microelettromeccanici (RF-MEMS) possono essere considerati per sostituire i dispositivi meccanici attuali e, in determinate condizioni, possono sostituire un intero circuito a stato solido. I dispositivi RF MEMS in generale sono caratterizzati da una buona miniaturizzazione, una buona capacità di integrazione nei circuiti a stato solido, un consumo di potenza quasi nullo, una buona linearità e una alto fattore di qualità Q. Riguardo le prestazioni, gli interruttori RF MEMS presentano una bassa perdita per inserzione, minore di 0.1 dBm fino a 60 GHz e, allo stesso tempo, un buon isolamento, maggiore di 20 dBm. Dal punto di vista elettro meccanico il consumo di potenza è vicino allo zero a causa della corrente di "on-state” vicina ai picoAmpere. Inoltre questi dispositivi non risultano disturbati dagli alti livelli di accelerazione e decelerazione (a causa della loro massa molto piccola). La possibilità di integrare la produzione di questi dispositivi nei processi standard di lavorazione del silicio e l'integrazione con tecnologie al silicio ormai mature sono dei grandi vantaggi per la loro diffusione su larga scala e per l'abbattimento dei costi di produzione. Negli ultimi dieci anni molti miglioramenti sono stati fatti sugli switch MEMS da vari gruppi di ricerca. Gli switch RF MEMS stanno diventando interessanti per le loro prestazioni RF, per il loro basso consumo di potenza, per le piccole dimensioni e basso peso. Nonostante le loro prestazioni, la diffusione sul mercato è stata rallentata per la necessità di package specifici e per i loro problemi di affidabilità. L'affidabilità dei dispositivi RF MEMS è un fattore predominante in applicazioni spaziali dal momento che risulta impossibile qualsiasi intervento di manutenzione una volta che il satellite è stato lanciato. Quindi per applicazioni spaziali l'affidabilità deve essere considerata un fattore dominante nella fase di progettazione di ogni switch MEMS. Infatti dobbiamo garantire che le sue proprietà elettromagnetiche rimangano le stesse dopo un periodo di utilizzo prolungato in ambiente ostile, per esempio dopo milioni o bilioni di cicli e dopo la continua esposizione a diversi tipo di radiazioni. In caso di utilizzo di switch MEMS in schemi di ridondanza, devono essere completamente funzionanti anche dopo un lungo periodo di attività o inattività (mesi o anni). Lo scopo di questa tesi è di effettuare caratterizzazioni di tipo elettrico e diverse tipologie di stress di affidabilità su switch RF MEMS in modo da studiare la tipologia di dispositivo più promettente e robusta. La caratterizzazione elettrica è stata eseguita utilizzando due diversi sistemi di misura. Il primo, basato su un "Vector network analyzer" e alimentatori, è stato utilizzato per verificare le prestazioni RF dei dispositivi ed estrapolare le tensioni di attuazione e disattuazione dei singoli dispositivi. Il secondo sistema di misura, composto dal generatore interno del "Vector network analyzer", da un oscilloscopio digitale con banda di 8-GHz e un profilometro ottico (polytec MSA 500), è stato utilizzato per caratterizzare le prestazioni elettriche e meccaniche come il tempo di attuazione, il ritardo introdotto in fase di rilascio e le prestazioni dinamiche dei dispositivi. Lo stress di tipo "Cycling", uno dei test di affidabilità più comuni usato per comprendere la robustezza dei dispositivi, è stato eseguito su differenti tipologie di dispositivi per comprendere come le caratteristiche intrinseche dei dispositivi (per esempio la forma del ponte mobile) possano impattare sull'affidabilità del dispositivo stesso. Oltre a stress di tipo "Cycling" si è studiato l'influenza di stress di attuazione prolungata sull'affidabilità di dispositivi senza dielettrico, comparando differenti design e studiando la variazione dei parametri elettrici indotti dallo stress prolungato e dalle successive fasi di rilassamento dei dispositivi. Celle Solari Una cella solare, o cella fotovoltaica, è un dispositivo elettronico che converte l'energia della luce direttamente in energia elettrica attraverso l'effetto fotovoltaico. Il funzionamento delle celle fotovoltaiche richiede 3 principi di base: (i) l'assorbimento della luce, generando coppie elettrone lacuna, (ii) la separazione delle cariche generate e (iii) l'estrazione di queste cariche attraverso un circuito esterno opportunamente dimensionato. Nelle ultime decadi molti gruppi di ricerca hanno provato ad incrementare il processo di conversione in modo da aumentare l'efficienza delle celle solari e ridurre così gli effetti parassiti che limitano il processo di conversione dell'energia. Tutto questo ha generato una vera e propria corsa alla migliore cella fotovoltaica in termini di efficienza di conversione. L'efficienza media di una cella solare multicristallina all'inizio del 2014 era di circa il 16% ma in alcuni laboratori di ricerca molte celle solari superavano il limite del 20% con record superiori al 24%. La continua crescita dell'efficienza delle celle solari è stata possibile anche grazie agli studi affidabilistici sulla cella solare singola e agli studi eseguiti sui meccanismi di degrado dei sistemi fotovoltaici esistenti. Questi studi hanno permesso di identificare i punti critici delle celle solari e hanno portato ad un costante aumento di prestazione dei processi produttivi. Lo scopo di questa tesi è lo studio dell'affidabilità delle singole celle fotovoltaiche e di stringhe di celle sottoposte a differenti livelli di illuminazione. Diverse procedure di caratterizzazione sono state sviluppate per studiare i meccanismi di rottura e per studiare i punti di forza e i punti deboli di questa tecnologia. Quattro diversi sistemi di misura sono stati utilizzati: (i) il primi sistema è in grado di estrapolare le curve corrente tensione al buio e in condizione di illuminazione di una singola cella fotovoltaica. Questo sistema di misura apparentemente semplice deve essere opportunamente calibrato in modo da ottenere risultati corretti in termine di efficienza e fill factor. (ii) Il secondo sistema di misura permette di estrarre l'immagine termografica di una singola cella fotovoltaica. Può essere utilizzato per analizzare la presenza di "hot spot" e altri meccanismi di rottura nella struttura cristallina della cella solare. (iii) Il terzo sistema permette di estrarre l'elettroluminescenza e la fotoluminescenza di una singola cella solare. Questo sistema permette di analizzare la presenza di difetti nella struttura cristallina della cella stessa. (iv) Il quarto sistema di misura è il sistema commerciale LOANA (PVTools): questo strumento permette di estrarre l’efficienza quantica esterna e interna attraverso misure di riflettività. Tutte questi sistemi di misura sono stati utilizzati per studiare l'evoluzione dei meccanismi di rottura quando una singola cella fotovoltaica viene sottoposta a stress in polarizzazione inversa. Lo studio della rottura catastrofica di una cella solare sottoposta a stress in polarizzazione inversa è di cruciale importanza dal momento che la rottura di una singola cella può portare an un aumento repentino della temperatura con conseguente rischio di incendio e rottura dell'intero sistema fotovoltaico. Questa particolare situazione può accadere quando un pannello fotovoltaico non è illuminato in modo uniforme e le singole celle fotovoltaiche presentano resistenza di "shunt" non uniformi in un singolo pannello. Studi addizionali sono stati eseguiti nella modellizzazione di una singola cella solare con il modello a due diodi. Lo studio e la modellizzazione di una cella solare permette di ottenere risultati corretti in termini di efficienza e fill factor. Inoltre la modellizzazione permette lo studio di stringhe di celle solari che lavorano in particolari condizioni di illuminazione non uniformi all'interno di uno stesso pannello fotovoltaico. Le simulazioni permetto di predire situazioni potenzialmente dannose e quindi di prevedere opportuni circuiti di protezione.