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Thin-film technology for graphene-based electronic devices and circuits
2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-09
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06745
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/764289/files/764289.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DRL (frei) ; frontend (frei) ; graphene (frei) ; MIG diode (frei) ; MMIC (frei) ; microwave (frei) ; millimetrewave (frei) ; mixer (frei) ; parametric amplifier (frei) ; power detector (frei) ; receiver (frei) ; six-port (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Diese Dissertation fasst meine Forschungen zu Graphen-basierten Technologien, Bauelementen und Schaltkreisen im Rahmen des von der Europäischen Kommission finanzierten Graphen-Flaggschiff-Projekts zusammen. Der Startschuss für das Projekt fiel im Oktober 2013 nach nur neun Jahren seit dem Aufkommen von Graphen im Jahr 2004 als vielversprechendem 2D-Material. 2013 übertraf der Status von Geräten auf Graphenbasis die Erwartungen an die elektrischen Eigenschaften von Graphen. Die Null-Bandlücken-Natur des intrinsischen Graphens führt zu Herausforderungen bei der Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET), die in herkömmlichen Schaltungen wie anderen Halbleiterbauelementen verwendet werden können. Eine dieser Herausforderungen ist die schlechte maximale Frequenz der Schwingungen (fmax), die im Vergleich zu den von den Ladungsträgern erwarteten Mobilitäten schlecht ist. Darüber hinaus stellt das schlechte Ein- und Ausschaltstromverhältnis die Verwendung von GFETs in Booleschen Logikgattern und damit in digitalen Schaltungen vor Herausforderungen. Diese Arbeit adressiert diese Herausforderungen, indem sie die Roadmap der Entwicklung von GFETs und den Einsatz dieser Transistoren in Schaltkreisen und Systemen ausdrückt. Ab sofort wird eine neuartige Vorrichtung auf Graphenbasis vorgestellt, bei der es sich um die Metall-Isolator-Graphen-Diode (MIG-Diode) für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) handelt. Die MIG-Diode ist der Hauptbeitrag dieser Arbeit, indem sie ein interessantes Merkmal von Graphen nutzt, nämlich die Graphenquantenkapazität (GCQ). Die neuartige Vorrichtung, die eine ähnliche Struktur der Dünnschicht-Metall-Isolator-Metall- (MIM-) Dioden verwendet, jedoch einen unterschiedlichen Ladungsübertragungsmechanismus aufweist, ermöglicht die Implementierung der Dünnschichttechnologie, die in Hochfrequenzschaltungsanwendungen eingesetzt wird. Der physikalische Betrieb der Diode wird untersucht und mit MIM-Dioden nach dem Stand der Technik verglichen, die hinsichtlich Asymmetrie und Nichtlinearität eine überlegene Leistung aufweisen. Groß- und Kleinsignalmodelle werden aus der Charakterisierung der hergestellten Dioden extrahiert, um die Verwendung dieser Dioden in Schaltungsanwendungen zu ermöglichen. Zusätzlich werden physikalische Entwurfsüberlegungen durchgeführt, um einen Hochfrequenzbetrieb dieser Dioden sicherzustellen. Eine interne Dünnschichttechnologie mit monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC), die MIG-Dioden zusammen mit hochwertigen passiven Bauteilen integriert, wird vorgestellt und getestet. Verschiedene integrierte Schaltungen, die die MIG-Dioden verwenden, wie Leistungsdetektoren und Mischer, sind bei Mikro- und Millimeterwellenfrequenzen implementiert. Darüber hinaus werden Dünnschicht-Boolesche Logikgatter vorgestellt, die sich durch die hervorragenden Schalteigenschaften von MIG-Dioden auszeichnen. Ein weiterer Um dies zu erreichen, werden MIG-Dioden in Sechs-Port-Topologien eingesetzt, die eine Lösung für den Aufbau von Empfängern in verschiedenen Frequenzbereichen bieten. In dieser Hinsicht ist auf einem Glassubstrat eine Verbindung mit sechs Anschlüssen und konzentrierten Elementen implementiert. Aufgrund des stabilen MMIC-Prozesses in Verbindung mit der Wiederholbarkeit der CVD-MIG-Dioden wird ein erfolgreicher Empfängerbetrieb nachgewiesen. Last but not least wird erstmals die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften des GCQ in der Parametric Amplifier (PAMP) -Topologie zur Realisierung kanonischer Sender- und Empfänger-Frontends mit positivem Conversion Gain untersucht und diskutiert.This dissertation summarizes my research in graphene-based technology, devices and circuits within the Graphene Flagship project funded by the European Commission. The kick-off of the project was in October 2013 after only nine years from the rise of graphene in 2004 as a promising 2D material. In 2013, the status of graphene-based devices was beyond the expectations from the electrical features of graphene. The zero-bandgap nature of the intrinsic graphene leads to challenges in fabricating graphene field-effect transistors (GFET)s which can be employed in conventional circuits like other semiconductor devices. One of these challenges is the poor maximum frequency of oscillations (fmax) which is poor compared to the expected from the charge carrier mobilities. In addition, the poor on-off currents ratio imposes challenges to employ GFETs in Boolean logic gates and thus in digital circuits. This work addresses these challenges by expressing the roadmap of the evolution of GFETs and the employment of these transistors in circuits and systems. Thenceforth, a novel graphene-based device which is the chemical vapor deposition (CVD) metal-insulator-graphene (MIG) diode is presented. The MIG diode is the core contribution of this work by leveraging an interesting feature of graphene which is the graphene quantum capacitance (GCQ). The novel device which uses a similar structure of the thin-film metal-insulator-metal (MIM) diodes but with a distinct charge transfer mechanism allows the implementation of thin-film technology that is employed in high frequency circuit applications. Physical operation of the diode is studied and compared to state-of-the-art MIM diodes showing superior performance in-terms of asymmetry and nonlinearity. Large- and small-signal models are extracted from the characterisation of the fabricated diodes to enable the use of these diodes in circuit applications. In addition, physical design considerations are carried out to ensure high frequency operation of these diodes. An in-house, thin-film monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology integrating MIG diodes together with high quality passives is presented and tested. Different integrated circuits employing the MIG diodes such as power detectors and mixers are implemented at micro and millimetre-wave frequencies. In addition, thin-film Boolean logic gates are presented thanks to the excellent switching properties of MIG diodes. Another attainment of this work is leveraging MIG diodes in six-port topologies which offer a solution to build receivers at different frequency bands of operation. In that regard, a lumped-element six-port junction is implemented on a glass substrate. Owing to the stable MMIC process together with the repeatability of the CVD MIG diodes successful receiver operation is demonstrated. Last but not least, the employment of the unique properties of the GCQ in parametric amplifier (PAMP) topology to realise canonical transmitter and receiver frontends with positive conversion gain is explored and discussed for the first time.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020146788
Interne Identnummern
RWTH-2019-06745
Datensatz-ID: 764289
Beteiligte Länder
Germany
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