High-frequency graphene field-effect transistors fabricated by cold development

Fast signal transmitting devices have always been in demand ever since. This thesis discusses the development of high-frequency (HF) graphene field-effect transistors (GFETs). All GFETs were fabricated with graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) as a channel material. The fabrication and the measurement data were discussed for different kind of GFETs prepared by various technologies. GFETs with 100-nm-thick T-gates, fabricated by gold-etching technology, achieved 𝑓𝑚𝑎𝑥 ~ 28 GHz because etching chemicals damaged the CVD-graphene. In gold-etching technology, the graphene was put on top of CVD-graphene to protect it from the polymethylmetacrylate (PMMA). GFETs were also fabricated by cold-development technology, where development was performed at 4℃. Development at such a low temperature made the high aspect ratio rectangular gate (200 nm thick and 200 nm long) possible to fabricate. These GFETs outperformed the state-of-the-art GFETs by achieving extrinsic 𝑓𝑚𝑎𝑥 as high as 126 GHz. Moreover, many GFETs fabricated by cold-development technology exhibited 𝑓𝑚𝑎𝑥 > 100 GHz. This could be attributed to the very low contact resistance between 60 and 90 Ωµm along with the gate resistance of 3.3 Ω. T-gate GFETs, fabricated by cold-development technology, could not outperform the rectangular gate GFETs because multiple polymer coating, used in their fabrication, contaminated the CVD-graphene. GFETs with 1 and 2-µm-long gate and 10 µm wide channel, fabricated by cold-development technology, exhibited non-quasi-static effects (NQSE). In 200 nm, 1 and 2-µm-long-gate GFETs, contribution of contact resistance to the total resistance was ~ 50 %, 20 % and 10 %, respectively. All above mentioned GFETs were made by transferring CVD-graphene on top of SiO2 substrate where GFETs could achieve transconductance (gm) above 1000 S/m. The fabrication of the GFETs with hexagonal boron nitride (hBN) as a substrate material did not provided gm ~ 700 S/m. Like gold etching technology, CVD-graphene was covered by hBN layer to protect it from PMMA. Top hBN layer was used to protect the CVD-graphene from the polymer. However, during SF6 etching, CVD-graphene was also damaged and gm ~ 500 S/m was achieved. GFETs on top of benzocyclobutene (BCB) were fabricated to achieve the goal of making integrated circuits. GFETs on BCB achieved gm ~ 500 S/m, which is lower than that of GFETs on SiO2 or hBN. The development is still going on because fabrication on BCB is not simple. The cold development technology for the fabrication of GFETs was found to be the best technology out of all other tested technologies.

Da allora i dispositivi di trasmissione veloce del segnale sono sempre stati richiesti. Questa tesi discute lo sviluppo di transistor a effetto di campo (GFET) al grafene ad alta frequenza (HF). Tutti i GFET sono stati fabbricati con grafene cresciuto mediante deposizione chimica in fase vapore (CVD) come materiale del canale. La fabbricazione e i dati di misurazione sono stati discussi per diversi tipi di GFET preparati con varie tecnologie. I GFET con T-gate di 100 nm di spessore, fabbricati mediante tecnologia di incisione dell'oro, hanno raggiunto 𝑓𝑚𝑎𝑥 ~ 28 GHz perché le sostanze chimiche di incisione hanno danneggiato il grafene CVD. Nella tecnologia di incisione dell'oro, il grafene veniva messo sopra il grafene CVD per proteggerlo dal polimetilmetacrilato (PMMA). I GFET sono stati fabbricati anche mediante tecnologia di sviluppo a freddo, dove lo sviluppo è stato eseguito a 4 ℃. Lo sviluppo a una temperatura così bassa ha reso possibile la fabbricazione del gate rettangolare con proporzioni elevate (200 nm di spessore e 200 nm di lunghezza). Questi GFET hanno sovraperformato i GFET all'avanguardia raggiungendo 𝑓𝑚𝑎𝑥 estrinseco fino a 126 GHz. Inoltre, molti GFET fabbricati mediante tecnologia di sviluppo a freddo hanno mostrato 𝑓𝑚𝑎𝑥 > 100 GHz. Ciò potrebbe essere attribuito alla resistenza di contatto molto bassa tra 60 e 90 Ωµm insieme alla resistenza di gate di 3,3 Ω. I GFET con cancello a T, fabbricati mediante tecnologia di sviluppo a freddo, non potevano superare le prestazioni dei GFET con cancello rettangolare perché il rivestimento polimerico multiplo, utilizzato nella loro fabbricazione, ha contaminato il grafene CVD. I GFET con gate lungo 1 e 2 µm e canale largo 10 µm, fabbricati mediante tecnologia di sviluppo a freddo, hanno mostrato effetti non quasi statici (NQSE). Nei GFET con gate lungo da 200 nm, 1 e 2 µm, il contributo della resistenza di contatto alla resistenza totale è stato rispettivamente di ~ 50%, 20% e 10%. Tutti i GFET sopra menzionati sono stati realizzati trasferendo CVD-grafene sopra un substrato di SiO2 dove i GFET potevano raggiungere una transconduttanza (gm) superiore a 1000 S/m. La fabbricazione dei GFET con nitruro di boro esagonale (hBN) come materiale di substrato non ha fornito gm ~ 700 S/m. Come la tecnologia dell'incisione dell'oro, il grafene CVD è stato ricoperto da uno strato di hBN per proteggerlo dal PMMA. Lo strato superiore di hBN è stato utilizzato per proteggere il grafene CVD dal polimero. Tuttavia, durante l'attacco con SF6, anche il grafene CVD è stato danneggiato e sono stati raggiunti gm ~ 500 S/m. I GFET sopra il benzociclobutene (BCB) sono stati fabbricati per raggiungere l'obiettivo di realizzare circuiti integrati. I GFET su BCB hanno raggiunto gm ~ 500 S/m, che è inferiore a quello dei GFET su SiO2o hBN. Lo sviluppo è ancora in corso perché la fabbricazione su BCB non è semplice. La tecnologia di sviluppo a freddo per la fabbricazione di GFET è risultata essere la migliore tra tutte le altre tecnologie testate.