Graphene and phosphorene based field effect transistors

The continuous evolution of silicon-based electronic devices has granted 60 years of development in telecommunications and digital electronics. The performance improvement, correctly predicted by Moore’s law, is currently slowing down: the increased importance of short channel effects and the physical limits in the scaling of MOSFETs are pushing the scientific community towards new research fields, looking for a new material that can replace silicon. Within this framework, the discovery of graphene and its very interesting physical properties gathered a lot of attention. Monolayer graphene is a stable two-dimensional (2D) layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice and can be seen as a single basal plane of graphite. The hexagonal cell of graphene implies a peculiar band structure in which valence and conduction band touch, forming conical-shaped bands. For this reason, graphene is addressed as a semimetal or a zero-gap semiconductor; conicallyshaped bands imply a linear dependence of energy on momentum, therefore describing charge carriers in a relativistic framework as massless Dirac fermions. High grade crystallinity and absence of back-scattering in graphene monolayers are the two main reasons for the high mobility values reported in literature for both gated and suspended devices. This fundamental property, combined with ambipolar conduction, field effect and graphene’s intrinsic 2D nature have pushed the scientific community towards the realization of simple and complex graphenebased circuits. However, the absence of a band-gap restricts graphene’s potential applications to high frequency electronic devices since a proper off-state is required for logic applications. The pioneering work on graphene has been a cornerstone for a new field of solid state physics focused on the study of other novel 2D materials. Such materials are also currently being studied for logic applications, trying to overcome limitations of graphene. The materials holding most promise are transition metal di-chalcogenides (TMDCs) and phosphorene: while TMDCs show low mobility values, most of the attention is currently on the latter, a high pressure allotrope of phosphorus showing high hole mobility values and thickness-dependent bandgap. This thesis focuses on realization and characterization of graphene and phosphorene based electronic devices. Using graphene grown by chemical vapor deposition, electron beam lithography and metal contact evaporation, a wide range of graphene-based field effect transistors (FETs) have been realized: starting from simple FETs, inverters have been realized showing voltage gain up to 12. Using graphene-based inverters as building blocks, more complex ring oscillators (ROs) have been realized. ROs are test-bed for investigating materials for possible application in electronics since they can provide information on the high frequency performances of such new materials. The realized devices were made of 3 inverters cascaded in a loop: if each inverter stage shows a gain greater than 2 and is capable of driving the following inverter, the system oscillates at a native frequency that depends on the material properties and fabrication parameters. An extensive study on scaling of ROs was carried on, addressing the role of channel width, source/drain thickness and gate length. By systematic reduction of gate length, it was possible to increase the oscillation frequency from the MHz range to a record value of 4.3GHz for 800nm gate length. Further scaling with gate length below 700 nm 5 yielded no working devices: in this range non-scalable resistances (like contact resistance) become dominant, limiting gain of inverters and preventing ROs from oscillation. Regarding phosphorene, flake fabrication through exfoliation from black phosphorus crystals with scotch tape technique was optimized. Characterization of flakes’ thickness and ambient stability was carried on by means of atomic force microscopy. The rapid ambient degradation of air-exposed flakes represents a critical problem to be addressed for device fabrication. Using exfoliated black phosphorus crystals, electron beam lithography and metal contact evaporation, a wide range of back-gated and top-gated devices were realized and characterized. The simple fabricated FETs exhibited on/off ratios up to 150 with unipolar p conduction. Occasional ambipolar behavior holds holding promise for the realization of phosphorene-based inverters. Degradation of ambientair exposed flakes limits potential electronic application and requires therefore a feasible flake passivation. Within this work of thesis, PMMA coverage served as partial passivation.

La continua evoluzione dei dispositive elettronici a base di silicio ha garantito lo sviluppo di campi come le telecomunicazioni e l’elettronica digitale per oltre 60 anni. Il miglioramento delle prestazioni di tali dispositivi, correttamente descritto dalla legge di Moore, sta subendo dei rallentamenti nell’ultimo periodo: l’accresciuta importanza degli effetti di canale corto e il sopraggiungere di limiti fisici nella riduzione delle dimensioni dei MOSFET ha spinto la comunità scientifica verso nuovi ambiti di studio, alla ricerca di un nuovo materiale che possa sostituire il silicio. All’interno di questo ambito, la scoperta del grafene e delle sue interessanti caratteristiche ha raccolto molte attenzioni. Un singolo layer di grafene è una forma allotropica bidimensionale stabile del carbonio in cui gli atomi sono organizzati secondo un reticolo esagonale, e può essere visto come un singolo piano cristallografico di un cristallo di grafite. La cella esagonale del grafene implica una particolare struttura a bande in cui la banda di valenza e la banda di conduzione sono in contatto e formano delle bande dalla forma conica. Per questi motivi, il grafene è considerato un semimetallo o semiconduttore con zero band gap; la forma conica delle bande implica una dispersione lineare dell’energia rispetto al momento e impone di considerare i portatori di carica come fermioni di Dirac privi di massa. Un elevato grado di cristallinità e l’assenza di back scattering in singoli layer di grafene giustificano gli elevati valori di mobilità registrati in letteratura sia per dispositivi sospesi che dotati di gate. Questi elevati valori di mobilità, insieme a conduzione ambipolare, la possibilità di avere effetto di campo e l’intrinseca natura bidimensionale del grafene hanno spinto la comunità scientifica verso la realizzazione di transistor a base di grafene. Tuttavia, l’assenza di un band gap limita le possibili applicazioni per il grafene in ambito elettronico ai soli dispositivi per alta frequenza, dal momento che uno stato privo di corrente è richiesto per eventuali applicazioni logiche. Lo studio del grafene e delle sue proprietà è stato fondamentale per l’apertura di un nuovo ambito della fisica dello stato solido riguardante lo studio di materiali bidimensionali. Alcuni di questi materiali sono correntemente studiati per potenziali applicazioni logiche, nel tentativo di superare le limitazioni del grafene. I materiali più promettenti in questo ambito sono i calcogenuri di metalli di transizione (TMDC) e il fosforene: mentre i TMDC mostrano bassi valori di mobilità, l’attenzione si sta spostando sul secondo, una fase ad alta pressione del fosforo elementale che mostra alti valori di mobilità per le lacune e un band gap dipendente dallo spessore. Questa tesi si focalizza sulla realizzazione e caratterizzazione di dispositivi elettronici a base di grafene e fosforene. Utilizzando grafene cresciuto per deposizione chimica da vapore, litografia elettronica e evaporazione di contatti metallici, sono stati realizzati numerosi transistor a effetto di campo a base di grafene: a partire da semplici transistor, sono stati realizzati inverter che mostrano un guadagno fino a 12. Utilizzando inverter a base di grafene, sono stati realizzati ring oscillator (RO). I RO sono dei dispositivi di test usati per studiare nuovi materiali per applicazioni elettroniche, dal momento che forniscono informazioni sulle prestazioni ad alte frequenze dei suddetti materiali. I dispositivi realizzati sono costituiti da 3 inverter connessi a cascata in un loop: se ogni inverter mostra un guadagno maggiore di 2 ed è in grado di alimentare correttamente lo stadio successivo, il sistema oscilla ad una frequenza nativa che dipende dalle proprietà del materiale utilizzato e dai parametri di fabbricazione. È stato portato avanti uno studio estensivo delle regole di scalabilità dei RO, identificando il ruolo dell’ampiezza di canale, dello spessore dei contatti source/drain e della lunghezza di gate. Attraverso una sistematica riduzione della lunghezza di gate è stato possibile aumentare la frequenza di oscillazione dei RO fino ad un valore record di 4.3 GHz per una lunghezza di gate di 800 nm. I dispositivi dotati di lunghezza di gate inferiore ai 700 nm non hanno restituito risultati: in questo range di lunghezze di gate, la presenza di resistenze che non scalano con le dimensioni del dispositivo (come ad esempio la resistenza di contatto) diventa dominante nel conto totale delle resistenze, limitando il valore di guadagno degli inverter e impedendo l’oscillazione nei RO. Per quanto riguarda il fosforene, in questa tesi è stata ottimizzata la realizzazione di flake di fosforene attraverso l’esfoliazione di cristalli di fosforo nero tramite scotch technique. Utilizzando la microscopia a forza atomica sono stati studiati lo spessore dei flake e la stabilità all’aria degli stessi, identificando nella rapida degradazione dei flake esposti all’aria un problema critico da risolvere per future applicazioni. Utilizzando flake di fosforene ottenuti tramite esfoliazione, litografia a fascio elettronico e evaporazione di contatti in metallo, sono stati realizzati e caratterizzati dispositivi a base di fosforene dotati di back gate e top gate. I dispositivi realizzati hanno mostrato valori di rapporto on/off fino a 150, con conduzione di tipo p. Occasionalmente è stato possibile misurare un comportamento ambipolare, caratteristica promettente per la realizzazione di inverter a base di fosforene. La degradazione dei flake esposti all’aria richiede un’efficace passivazione della superficie per la realizzazione di potenziali applicazioni in elettronica. In questo lavoro di tesi, una passivazione parziale attraverso la deposizione di un film di PMMA è stata realizzata.