Nanofabrication and catheterization of high performance graphene field-effect transistor

The unique electrical, thermal, and physical properties of graphene have attracted research interest both from the electronics and materials science communities. Scaling limitations in conventional silicon technology, pushed the technology market to investigate new materials. Graphene, with exceptionally high mobility and being cheap, flexible, transparent and a true 2D material, gained much attention in the field of nanotechnology. Since the discovery of graphene in 2004, graphene electronics have made significant improvements. Many devices from single transistors to more complex analog and digital circuits have been demonstrated. However, along with progress, the physical limitations of graphene have become more evident. The dominant part of this work concerns nanofabrication and characterization of graphene field effect transistors (GFETs) for high frequency applications. Using GFETs as building blocks, more complex devices were demonstrated, such as graphene inverters. During this work the main limiting factors, such as large contact resistance, high gate resistance, and poor gate oxide-graphene interface quality, which suppress the figures of merit in graphene electronic devices, were studied and characterized. Promising improvements were achieved by optimizing and adjusting process parameters. To investigate the scaling effects on intrinsic parameters of GFETs, S-parameter measurements from 10 MHz to 50 GHz were performed on various radio-frequency GFETs. A GFET small signal model was simulated and optimized to extract the intrinsic parameters. In GFETs with good saturation and transconductance, the cutoff frequency fT = 13 GHz, the maximum frequency of oscillation fmax = 27 GHz and intrinsic voltage gain Av > 30 dB for GFETs with W = 10 µm, L = 1 µm, were extracted. We believe that by passivating graphene, improving the quality of the oxide‑graphene interface, and utilising smooth and charge-trap free substrates, further improvements in graphene device performances could be achieved.

Le singolari proprietà elettriche, termiche e fisiche del grafene hanno attirato l’interesse dei ricercatori sia dell’ambito elettronico che della scienza dei materiali. Le limitazioni nella scalabilità della tecnologia convenzionale in silicio ha spinto il mercato della tecnologia a studiare nuovi materiali. Il grafene, grazie alla sua eccezionalmente alta mobilità ed essendo economico, flessibile, trasparente ed un vero materiale bidimensionale, ha riscontrato molta attenzione nel campo delle nanotecnologie. Sin dalla sua scoperta nel 2004, l’elettronica in grafene ha compiuto miglioramenti significativi. In questo periodo è stato dimostrato il funzionamento di molti dispositivi, dal singolo transistor a circuiti analogici e digitali più complessi. Tuttavia, con il progresso, anche le limitazioni fisiche del grafene sono divenute più evidenti. La parte principale di questa tesi riguarda la nanofabbricazione e caratterizzazione di transistor ad effetto di campo in grafene (GFETs) per applicazioni in alta frequenza. Utilizzando i GFETs come componenti principali, dispositivi più complessi sono stati dimostrati, come ad esempio gli inverters. Durante questo lavoro i principali fattori limitanti, come una elevata resistenza di contatto, un’elevata resistenza di gate e una interfaccia tra grafene e ossido di scarsa qualità, che sopprimono le figure di merito dei dispositivi elettronici in grafene, sono state studiate e caratterizzate. Promettenti sviluppi sono stati ottenuti ottimizzando e aggiustando i parametri di processo. Per studiare l’effetto dello scaling sui parametri intrinseci dei GFETs sono stati eseguite delle misure sugli S-parameters da 10 MHz a 50 GHz su vari GFETs in radiofrequenza. Un modello a piccolo segnale dei GFETs è stato simulato e ottimizzato per estrarre i parametri intrinseci. Nei GFETs con buona saturazione e transconduttanza sono state estratte frequenze di cutoff fT=13 GHz, frequenze massime di oscillazione fMAX= 27 GHz e voltage gain intrinseci AV>30dB per dispositivi con W=10um e L=1um. Crediamo che passivando il grafene, migliorando la qualità dell’interfaccia tra ossido e grafene e utilizzando substrati meno rugosi e liberi da charge traps sarà possibile ottenere ulteriori miglioramenti nelle performances dei dispositivi in grafene.