RF graphene oscillators for biomedical applications

Abstract

O grafeno, um material com estrutura atómica e com propriedades excecionais, tem despertado interesse na comunidade académica. Com uma elevada mobilidade de portadores, excelente condutividade térmica e características eletrónicas notáveis, o grafeno apresenta um enorme potencial para aplicações em eletrónica de radiofrequência (RF). Contudo, a integração deste material em dispositivos eletrónicos apresenta desafios, especialmente na adaptação dos processos convencionais de fabrico CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Esta tese aborda esses desafios, avançando no desenvolvimento de métodos de desenho, fabrico e caracterização de transístores e osciladores de RF baseados em grafeno, com especial enfoque em aplicações biomédicas. Para melhorar o desempenho dos transístores de RF fabricados, foram implementadas várias estratégias, como a utilização de gates enterradas para reduzir a resistência da gate, a minimização da resistência de acesso através de um processo Damascene adaptado, o uso de substratos de silício de alta resistividade com camadas de SiO2 para mitigar efeitos parasitas e a integração de camadas finas de óxidos com elevada constante dielétrica (alumina) depositados por deposição de camada atómica (ALD). Duas metodologias de fabrico distintas foram desenvolvidas: um processo de gate traseira sem planarização da superfície e um processo de gate enterrada com planarização, utilizando ion milling antes da transferência do grafeno. Estas metodologias foram adaptadas às condições da sala limpa do Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia (INL), para aumentar a repetibilidade dos processos, uma vez que são baseados em processos padrão. Adicionalmente, os processos de síntese e transferência do grafeno foram estudados. Nesta tese, fabricaram-se transístores com frequências de corte e frequências máximas de oscilação de 80 GHz e 14 GHz, respetivamente. Estes dispositivos foram modelados através de um modelo semi-empírico. Embora não tenha sido fabricado um oscilador de anel de RF baseado em grafeno totalmente funcional, as simulações realizadas com base no modelo permitiram estudar e otimizar os parâmetros necessários para o desenvolvimento de dispositivos funcionais no futuro, demostrando a efetividade do processo de fabrico para a sua utilização em biossensores de grafeno. Assim, esta tese estabelece um processo de fabrico repetível e adaptável a outros dispositivos baseados em grafeno, lançando as bases para a integração deste material em sensores biomédicos e tecnologias de radiofrequência.

Graphene, a single-atom-thick carbon material arranged in a honeycomb lattice, has gained significant attention due to its exceptional electronic, thermal, and mechanical properties. With high carrier mobility, superior thermal conductivity, and remarkable electronic characteristics, graphene has immense potential for electronic and radiofrequency (RF) applications. However, integrating graphene into practical devices presents substantial challenges, particularly in adapting conventional Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fabrication processes to accommodate its unique properties. This thesis addresses these challenges by advancing the design, fabrication, and characterization of graphene-based RF transistors and oscillators, with a focus on biomedical applications. Strategies to enhance the performance of the fabricated RF graphene transistors included implementing buried gates to reduce gate resistance, minimizing access resistance using an adapted damascene process, using high-resistivity silicon substrates with SiO2 layers to mitigate parasitic effects, and integrating thin high-k oxide (alumina) layers grown via atomic layer deposition (ALD) for improved gate control. Two distinct fabrication methodologies were developed: a bottom-gate process without surface planarization and a planarized buried bottom-gate process using ion milling prior graphene transfer. These methodologies were adapted to the cleanroom conditions of the Iberian International Nanotechnology Laboratory (INL) to enhance process repeatability, as they are based on standard processes. Additionally, the graphene synthesis and transfer processes were optimized, prioritizing continuous graphene films over large flakes to ensure scalability and uniform device performance. In this work intrinsic cutoff frequencies of up to 80 GHz and maximum oscillation frequencies of 14 GHz using planar buried gate devices with a 5 nm oxide layer were achieved. These fabricated devices were modelled by a semi-empirical model. Although a fully operational graphene-based RF ring oscillator was not fabricated, simulations supported that further optimization of parameters could lead to designs that sustain oscillation in the future, demonstrating the effectiveness of the fabrication process for its application in graphene biosensors. In short, this thesis provides a repeatable fabrication process adaptable to other graphene-based devices, laying the basis for integrating graphene into advanced biomedical sensors and RF technologies.