Modelling of field-effect transistors based on 2D materials targeting high-frequency applications

Abstract

Los sistemas de comunicación inalámbricos 5G, así como el futuro despliegue del “Internet of Things”, han hecho que el International Technology Roadmap for Semiconductors, documento estratégico que marca la hoja de ruta de la industria de los semiconductores, incluya desde 2011 al grafeno y los 2DMs relacionados (GRMs) como candidatos para la electrónica del futuro. Así, el grafeno es considerado actualmente una excelente opción debido a que presenta unas propiedades excepcionales en cuanto al transporte electrónico; y se prevé que los transistores de efecto de campo (FET) que basen su funcionamiento en GRMs (2D-FETs), podrán superar el rendimiento de otras tecnologías. La presente tesis está dedicada al modelado de 2D-FETs. El objetivo principal es el desarrollo de modelos y herramientas que permitan (i) ganar control tecnológico de los dispositivos basados en grafeno y grafeno bicapa (BLG), (ii) predecir el rendimiento en radiofrecuencia y evaluar la estabilidad de dichos dispositivos, (iii) comparar el rendimiento con otras tecnologías existentes, (iv) servir de ayuda al diseño de circuitos y dispositivos y (v) simular circuitos basados en 2D-FETs. Para ello, la presente tesis comprende el desarrollo de un modelo de pequeña señal adecuado para 2D-FETs que garantiza la conservación de la carga. Este modelo viene acompañado de una metodología de extracción de parámetros que incluye las resistencias de contacto y acceso, las cuales son de extrema importancia en FETs de baja dimensionalidad. Tomando tal modelo como base, se realiza el análisis de las prestaciones en radiofrecuencia, la evaluación de la estabilidad cuando dichos dispositivos actúan como amplificadores de potencia, y un estudio del escalado del GFET. Los modelos de pequeña señal, como el presentado en esta tesis, son muy útiles para posibilitar el desarrollo de prototipos de una forma rápida y sencilla, lo cual es de especial importancia para tecnologías que se encuentran en las primeras fases de desarrollo, como es el caso actual de la tecnología basada en 2DMs. Como principal contribución de esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo compacto intrínseco de gran señal y basado en la física para FETs de grafeno (GFETs). La importancia de dicho modelo reside en su facultad de poder ser incluido en herramientas software de diseño asistido. El esfuerzo de crear un modelo es un paso necesario para facilitar el diseño de circuitos integrados monolíticos (MMICs) complejos que operen a frecuencias de microondas. La mayoría de los circuitos basados en GRMs demostrados hasta el momento no son ICs, por lo que se requiere de circuitos externos para su funcionamiento. Sin embargo, el desarrollo de circuitos de banda ancha operando a frecuencias de microondas precisa de esta tecnología. El modelo presentado en esta tesis es un buen punto de partida para el futuro desarrollo del diseño asistido de MMICs basados en grafeno. Los resultados son comparados con medidas experimentales de diversos circuitos, como por ejemplo, un amplificador de tensión, un doblador de frecuencia, un mezclador subharmónico de radiofrecuencia; y un detector de fase. Por otra parte, el BLG es también un material prometedor para transistores que operan en radiofrecuencia. Este material posee una banda prohibida que resulta en una mejor saturación de la corriente que en grafeno monocapa. Motivado por esta importante propiedad física, en esta tesis se lleva a cabo el desarrollo de un modelo numérico de gran señal para FETs basados en BLG, el cual permite lo siguiente: (i) entender las propiedades electrónicas del BLG y cómo estas pueden ser controladas por acción del campo eléctrico, (ii) evaluar el impacto de la banda prohibida en las prestaciones de radiofrecuencia, (iii) comparar dichas prestaciones con otras tecnologías, y (iv) proporcionar asistencia al diseño de dispositivos. De forma notable, el modelo ha sido verificado con datos experimentales obtenidos en la literatura científica.

New technologies are necessary for the unprecedented expansion of connectivity and communications in the modern technological society. The specific needs of wireless communication systems in 5G and beyond, as well as devices for the future deployment of the Internet of Things has caused that the International Technology Roadmap for Semiconductors, which is the strategic planning document of the semiconductor industry, considered since 2011, graphene and related materials (GRMs) as promising candidates for the future of electronics. Graphene, a one-atom-thick of carbon, is considered a promising material for high-frequency applications due to its intrinsic superior carrier mobility and very high saturation velocity. These exceptional carrier transport properties suggest that GRM based field-effect transistors can potentially outperform other technologies. This thesis presents a body of work on the modelling, performance prediction and simulation of GRM based field-effect transistors and circuits. The main goal of this work is to provide models and tools to ease the following issues: (i) gaining technological control of single layer and bilayer graphene devices and, more generally, devices based on 2D materials, (ii) assessment of RF performance and microwave stability, (iii) benchmarking against other existing technologies, (iv) providing guidance for device and circuit design, (v) simulation of circuits formed by GRM based transistors. In doing so, a key contribution of this thesis is the development of a small-signal model suited to 2D-material based field-effect transistors (2D-FETs) that guarantees charge conservation. It is also provided a parameter extraction methodology that includes both the contact and access resistances, which are of upmost importance when dealing with low dimensional FETs. Taking it as a basis, an investigation of the GFET RF performance scalability is provided, together with an analysis of the device stability. The presented small-signal model is potentially very useful for fast prototyping, which is of relevance when dealing with the first stages of any new technology. To complete the modelling task, an intrinsic physics-based large-signal compact model of graphene field-effect transistors (GFETs) has been developed, ready to be used in conventional electronic design automation tools. That is considered to be a big step towards the design of complex monolithic millimetre-wave integrated circuits (MMICs). Most of the demonstrated circuits based on GRMs so far are not integrated circuits (ICs), so requiring external circuitries for operation. At mm-wave frequencies, broadband circuits can practically only be realized in IC technology. The compact model presented in this thesis is the starting point towards the design of complex MMICs based on graphene. It has been benchmarked against high-performance and ambipolar electronics’ circuits such as a high-frequency voltage amplifier, a high-performance frequency doubler, a radio-frequency subharmonic mixer and a multiplier phase detector. The final part of the thesis is devoted to the bilayer graphene based FET. Bilayer graphene is a promising material for RF transistors because its energy bandgap might result in a better current saturation than the single layer graphene. Because the great deal of interest in this technology, especially for flexible applications, gaining control of it requires the formulation of appropriate models. A numerical large-signal model of bilayer graphene field-effect transistors has been realized, which allows for (i) understanding the electronic properties of bilayer graphene, in particular the tunable bandgap, (ii) evaluating the impact of the bandgap opening in the RF performance, (iii) benchmarking against other existing technologies, and (iv) providing guidance for device design. The model has been verified against measurement data reported, including DC electrical behaviour and RF figures of merit.