Development of graphene-based integrated circuits for radio-frequency applications

This work represents a contribution to the research on graphene devices for high frequency applications. Introducing an ultra-thin, high-k oxide in the fabrication process, exfoliated-graphene FETs with exceptionally good performances have been demonstrated. Based on the FETs, more complex devices were demonstrated, such as the first graphene inverter that exhibits significant voltage gain in ambient conditions. The great improvements in graphene CVD-growth have made it possible to implement this scalable material in the fabrication process, opening up new perspectives for industrial applications. With CVD graphene, the control over size and shape permitted to obtain channels with homogeneus characteristics, leading to a great performance improvement, and inverters exhibiting DC and AC voltage gain above 20 dB were demonstrated. These high-gain devices could be cascaded to perform multiple logic operations. Demonstration of device cascading led to the fabrication of the first graphene integrated ring oscillators, with highest oscillation frequency of 4.3 GHz with 0.9 µm gate length, surpassing silicon ROs speed at the same gate length. To improve the performance of these circuits, a sistematic study on the scaling of intrinsic parameters of FETs has been done through S-parameters measurements. A small signal model of the FETs have been tested and used to extract the intrinsic parameters. FETs with exceptionally good saturation have been fabricated, exhibiting highest cutoff frequency of about 10 GHz, maximum frequency of oscillation of 21 GHz and intrinsic AC gain above 30 dB at 10 MHz for devices with 1 µm gate length, this being the highest value reported in literature. This research reveals that the main limiting factors affecting device performances are the large contact resistance, the poor interface quality between graphene and top oxide and the large sensitivity of graphene to environment, that should be addressed to achieve a real breaktrough.

Questo lavoro rappresenta un contributo relativo allo sviluppo di dispositivi in grafene per applicazioni in elettronica di alta frequenza. Grazie all'introduzione di un sottile ossido di gate con un'elevata costante dielettrica è stato possibile realizzare transistors con prestazioni di alto livello. A partire da questi transistors sono stati realizzati circuiti più complessi. L'impiego di grafene ottenuto mediante sintesi CVD ha permesso in primo luogo di dimostrare la scalabilità e quindi il potenziale applicativo a livello industriale di questa tecnologia, e inoltre di migliorare il controllo di forma e dimensioni dei dispositivi e di ottenere prestazioni più omogenee. Ciò ha reso possibile la fabbricazione di inverter con un guadagno di tensione DC e AC superiore ai 20 dB. Tali dispositivi possono essere connessi in cascata per realizzare circuiti più complessi, quali gli oscillatori ad anello. Gli oscillatori integrati dimostrati in questa tesi sono i primi ad esser mai stati realizzati in grafene, e hanno frequenza di oscillazione paragonabile a quella degli oscillatori in silicio con la stessa lunghezza di canale, con un record di 4.3 GHz per un canale di 0.9 micron. Per migliorare le prestazioni è stato condotto uno studio a livello del singolo transistor attaverso la misura dei parametri S. Attraverso un modello del transistor per piccoli segnali è stato possibile estrarre i parametri intrinseci del transistor e verificarne la scalabilità. I transistor analizzati possiedono delle caratteristiche I-V eccezionali, hanno una massima frequenza di taglio pari a 10 GHz, massima frequenza di oscillazione pari a 21 GHz e guadagno intrinseco superiore a 30 dB a 10 MHz (valore più alto osservato finora) a una lunghezza di canale di 1 micron. Questo lavoro di ricerca ha rivelato che i fattori che influenzano maggiormente le prestazioni sono l'elevata resitenza di contatto, la scarsa qualità dell'interfaccia tra grafene e dielettrico e la grande sensibilità del grafene alle impurezze presenti in ambiente. Queste problematiche devono essere ulteriormente approfondite e affrontate per ottenere un sostanziale miglioramento delle prestazioni.