Very low contact resistance for graphene high frequency devices

Just one atom thick with newest and extraordinary properties, graphene is emerging as a fascinating material for many kind of applications. Thanks to its high carrier mobility at room temperature as well as to its saturation velocity, it reveal a great potential for high speed applications. Moreover it possess the grates heat transfer coef􀃥cient which allows to better power dissipation. The 2D nature of graphene makes it a good candidate in substituting silicon, which scaling is becoming problematic due to its intrinsic physical limitations. Because of the lack of a band gap, graphene 􀃥eld effect transistors (GFET) are actually suitable for radio frequency (RF) applications, where an high power consumption can be acceptable in order to reach larger operational speeds. Despite its unusual properties, the route to large scale production is still long. The more the studies on the material, the more the problems to overcome for exploit its real potential. So far several integrated circuits (IC) based on graphene transistors have been fabricated, but only few of them are able to perform operation at frequencies over 1 GHz. Increase the ef􀃥ciency could be possible by scaling the dimensions of the IC components. However, once the sizes are reduced to the nanometric scale, the RF performances are killed by the very high resistance of the metal-graphene contacts. Here is reported a systematic study on the contact resistance as well as a ''tricky'' methods to make it lower. This made possible to obtain the smallest value of Rc so far revealed in literature which are comparable with that of III-V High Electron Mobility Transistors. This results can open alternative ways to reach higher operational frequencies in graphene devices which today are seriously affected by the poor contact performance.

Sono passati dieci anni dal momento in cui Andre Geim e Kostya Novoselov, riuscirono nell'impresa di isolare il primo materiale bidimensionale della storia: il grafene. Da quel momento una vera e propria corsa all'oro si è sviluppata intorno a quello che è stato de􀃥nito come ''il materiale delle meravigle''. Spesso solamente un atomo, il grafene risulta allo stesso tempo 􀃽essibile e più resistente dell'acciaio, è otticamente trasparente e possiede una conducibilità termica superiore a qualsiasi altro materiale conosciuto. Ciò che ha portato questo materiale alla ribalta, sono le sue proprietà elettroniche che ne fanno un conduttore migliore del rame. Gli elettroni all'interno del reticolo bidimensionale del grafene si comportano come fermioni di Dirac, ovvero particelle prive di massa. Questo, oltre a permettere mobilità estremamente elevate anche a temperatura ambiente, fa sì che la loro velocità di saturazione sia solamente 300 volte inferiore a quella della luce. Il grafene presenta inoltre un marcato ''effetto di campo'' necessario per la realizzazione del componente base dell'elettronica moderna: il transistor. Oggigiorno non è facile per un materiale entrare nel mercato dell'elettronica integrata, attualmente dominato dal silicio. D'altro canto la continua riduzione delle dimensioni dei dispositivi sta generando diversi problemi, alcuni dei quali presentano delle barriere 􀃥siche apparentemente insormontabili. Da qualche anno si stanno testando svariati materiali nella speranza di trovare una soluzione al problema della ''scalabilità'' dei dispositivi. La natura bidimensionale del grafene può spingere l'elettronica oltre questi limiti e quindi cospicui investimenti nella ricerca sono stati fatti anche da aziende leader nell'industria del silicio.Benché le premesse siano molto incoraggianti, anche il grafene presenta alcuni problemi. Esso è infatti un semimetallo, ovvero non possiede un gap energetico che separa la banda di valenza da quella di conduzione, aspetto fondamentale per assicurare una buona distinzione tra gli stati di ''on'' e ''off'' di un transistor. Questo influenza la sua applicazione nel campo dell'elettronica digitale dove molti transistor vengono combinati per la realizzazione di reti logiche. É invece il campo dell'elettronica analogica in cui il grafene può portare diversi vantaggi. Grazie all'altissima mobilità dei suoi elettroni è teoricamente possibile la creazione di dispositivi con frequenze operative oltre 1 THz . Diversi circuiti analogici più o meno complessi come moltiplicatori di segnale, ampli􀃥catori, e oscillatori ad anello sono stati prodotti con transistor in grafene. Tuttavia la loro massima frequenza operativa non supera i pochi GHz. Per poter raggiungere valori più alti una riduzione delle dimensioni caratteristiche dei dispositivi è necessaria. Tuttavia, come per il silicio, effetti cosiddetti ''parassitici'' pesano sempre di più sul bilancio globale delle prestazioni mano a mano che i transistor vengono scalati. All'oggi la maggior problematica per quanto riguarda i dispositivi in grafene risiede nella dif􀃥coltà di ''iniezione'' ed ''estrazione'' di cariche attraverso un contatto metallico. All'interfaccia tra i due materiali si genera una cospicua resistenza che limita la massima frequenza raggiungibile dal dispositivo stesso. Questo lavoro di tesi si è proposto di analizzare l'interazione metallo-grafene tramite l'estrazione della cosiddetta ''resistenza di contatto'' (Rc). Come primo step si è de􀃥nito un processo produttivo standard per le strutture da analizzare, consistenti in un una serie di transistor con differenti lunghezze di canale depositati su una striscia rettangolare di grafene su un substrato rigido di SiO2=Si. Campioni contenenti contatti di metalli differenti sono stati prodotti e testati tramite l'uso del Transfer Length Method (TLM) che consente l'estrazione dei valori di resistenza di contatto. In questo step sono stati ottenuti valori di Rc molto bassi per elettrodi in oro puro. Successivamente tramite semplici trattamenti di etching, la zona di grafene sottostante il metallo è stata ''patternata'' permettendo un incremento del bordo di contatto tra gli elettrodi ed il grafene stesso. Questo ha provocato un'ulteriore diminuzione della resistenza di contatto 􀃥no ad un valore intorno ai 90 Ω μm che all'oggi risulta essere il più basso mai registrato.