Integrated complementary graphene inverters in analog and digital electronics

CMOS technology, from its introduction in 1963, has found applications in analog and digital electronics and nowadays it represents the main building block of modern electronics. The performances of CMOS devices depend entirely on the characteristics of the silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs). So far the scaling of the dimensions of the transistors has allowed to reach the needed improvements required by the market. However, the MOSFET scaling is approaching a limit in which a further shrinking of the devices will not be possible anymore. For that reason it will be necessary to introduce new materials in order to continue with the increase of the performances of electronic devices. From its discovery graphene has been considered as the material that could replace silicon in future CMOS technology. Graphene is the name given to a flat monolayer of carbon atoms tightly packed into a two-dimensional honeycomb lattice. Scientific and technological interests in graphene have rapidly grown because of its extraordinary electronic properties, such as high-mobility of charge carriers which can travel thousands of inter-atomic distances without scattering. Andre Geim and Konstantin Novoselov were the first to perform groundbreaking experiment on graphene sheets for which they were awarded the Nobel Prize in Physics in 2010. Graphene has significant potential for electronic applications but, unfortunately, its applicability is currently limited by the fact that it is a semi-metal. For that reason graphene field effect transistors (GFETs) cannot be turned-off and that mainly limit use of graphene in niche applications of analog electronics. In this thesis the effects of short channel length and width on the performances of the Si MOSFETs are analyzed and a direct comparison with GFETs is made. It is shown that it is difficult to reach a saturation region of the drain current in GFETs. This influences the voltage gain which has usually been small in graphene circuits preventing signal amplification. GFETs must exhibit an over-unity intrinsic voltage gain in order to allow the realization of more complex circuits. This thesis is focused on the realization of realistic graphene digital circuits. All steps that allow to reach that goal are described and a comparison with Si CMOS is made. Graphene voltage amplifiers were fabricated starting from mechanically exfoliated graphene flakes. The use of very thin top-gate dielectrics allowed the realization of graphene complementary inverters with a high voltage gain (>10 dB) operating at room temperature. Such devices could be used as the main building block of both analog and digital graphene electronics. For instance, the fabricated graphene inverters could be used in audio applications since it is able to maintain an over-unity voltage gain in the audio frequency range. In graphene digital logic gates it is also important to have an over-unity voltage gain in order to match the input and output signals. Without signal matching it is not possible to cascade different logic gates and realistic digital circuits cannot be realized. In order to allow the scalability of the logic gates, CVD graphene was used. It is shown that it was possible to match the input and output signals at room temperature for the first time ever. This also allowed to cascade different logic gates, which has not been demonstrated at any temperature so far. The obtained results were the pre-requisite for the realization of realistic graphene digital circuits, out of which the most important classes are the ring oscillators (ROs). ROs represent the perfect device to test the ultimate performances limits of a given technology. The first graphene ROs operating at gigahertz frequencies have demonstrated. Performance increased by reducing gate length of the GFETs in ROs was also demonstrated. However it is shown that graphene digital circuits cannot compete directly with Si CMOS even though the same gate delays are obtained in both cases. Graphene transistors have large static power dissipations compared to Si CMOS which is a low-power consumption technology. Graphene instead could find applications in extremely high-frequency devices where static power dissipation is not an issue. Graphene could replace InP in high-frequency electronics due to its higher mobility but for this to happen further technological advances are needed.

La tecnologia CMOS, dalla sua introduzione nel 1963, ha trovato applicazione nell’elettronica analogica e digitale e al giorno d’oggi rappresenta il principale componente della moderna elettronica. Le prestazioni dei dispositivi CMOS dipendono interamente dalle caratteristiche dei metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) in silicio. Fino ad oggi la riduzione delle dimensioni dei transistor ha permesso di raggiungere i miglioramenti richiesti dal mercato. Tuttavia, la riduzione dei MOSFET sta raggiungendo il limite oltre il quale una ulteriore diminuzione dei dispositivi non sarà più possibile. Per questo motivo sarebbe necessario introdurre nuovi materiali al fine di continuare a incrementare le prestazioni dei dispositivi elettronici. Dalla sua scoperta il grafene è stato considerato come il materiale che potrebbe sostituire il silicio nella futura tecnologia CMOS. Grafene è il nome dato a un singolo layer di atomi di carbonio arrangiati in un reticolo bidimensionale a nido d’ape. Gli interessi scientifici e tecnologici nei confronti del grafene sono cresciuti rapidamente per via delle sue straordinarie proprietà elettroniche, come l’elevata mobilità dei portatori di carica che possono viaggiare per centinaia di distanze inter-atomiche senza scattering. Andre Geim a Konstantin Novoselov furono i primi ad effettuare esperimenti innovativi su fogli di grafene: questi valsero loro il Premio Nobel della Fisica nel 2010. Il grafene ha un significativo potenziale nelle applicazioni elettroniche ma, sfortunatamente, il suo utilizzo è al momento limitato dal fatto che sia un semimetallo. Per questo motivo i transistor a effetto di campo in grafene (GFET) non possono essere spenti e il loro uso principale è limitato ad applicazioni di nicchia nella elettronica analogica. In questa tesi viene analizzato l’effetto delle ridotte dimensioni della lunghezza e larghezza del canale sulle prestazioni dei MOSFET in silicio e viene effettuato un diretto paragone con i GFET. Viene mostrato poi come sia difficile raggiungere la regione di saturazione della corrente di drain nei GFET. Questo influenza il guadagno di tensione che tipicamente nei circuiti di grafene assumeva piccoli valori impedendo l’amplificazione del segnale. I GFET devono esibire guadagni di tensione intrinseci maggiori di uno al fine di permettere la realizzazione di circuiti più complessi. Questa tesi è dedicata alla realizzazione di circuiti digitale di grafene realistici. Tutti i passaggi che hanno consentito di raggiungere l’obiettivo vengono descritti e viene effettuato inoltre un paragone con i CMOS in silicio. Amplificatori di tensione in grafene sono stati fabbricati a partire da fogli di grafene esfoliati meccanicamente. L’uso di un dielettrico di top-gate molto sottile ha consentito di realizzare inverter complementari di grafene con elevati guadagni di tensione (>10dB) operanti a temperatura ambiente. Questi dispositivi possono essere utilizzati come i principali dispositivi dell’elettronica di grafene analogica e digitale. Per esempio, gli inverter di grafene fabbricati possono essere utilizzati in applicazioni audio visto che sono in grado di mantenere guadagni di tensioni superiori all’unità nell’intervallo delle frequenze audio. Nelle porte logiche digitali in grafene è altrettanto importante avere guadagni di tensione superiori all’unità al fine di accoppiare i segnali di entrata e uscita. Senza l’accoppiamento dei segnali non è possibile collegare in cascata differenti porte logiche impedendo così di realizzare circuiti digitali realistici. Al fine di rendere possibile la scalabilità delle porte logiche, è stato utilizzato grafene CVD. Viene mostrato che è possibile accoppiare i segnali di ingresso e uscita a temperatura ambiente per la prima volta in assoluto. Questo ha consentito di mettere in cascata differenti porte logiche, risultato che non era mai stato dimostrato a nessuna temperatura. I risultati ottenuti rappresentano il prerequisito per la realizzazione di circuiti digitali realistici in grafene, fra i quali la classe più importante è costituita dagli oscillatori ad anello (RO). Gli RO rappresentano il dispositivo perfetto per testare i limiti delle prestazioni della data tecnologia. In questo modo è stato dimostrato il primo RO in grafene operante a temperatura ambiente a frequenze dell’ordine dei gigahertz. Viene dimostrato inoltre che le prestazioni aumentano riducendo la lunghezza di gate dei GFET nei RO. Tuttavia viene mostrato anche che i circuiti digitali in grafene non possono competere direttamente con i CMOS in silicio benché siano stati ottenuti gli stessi valori di gate delay. I transistor in grafene hanno grandi dissipazioni di potenza statica paragonati ai CMOS in silicio, questi ultimi infatti sono una tecnologia a ridotto consumo di potenza. Il grafene invece può trovare applicazione in dispositivi a frequenze incredibilmente elevate dove la dissipazione di potenza statica non rappresenta un problema. Il grafene potrebbe sostituire l’InP nell’elettronica ad alta frequenza per via delle sua elevata mobilità ma perché ciò possa succedere c’è bisogno di ulteriori progressi tecnologici.