Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/305428
Type: TESE DIGITAL
Title: Desenvolvimento de transistores de efeito de campo baseados em eletrodos de Nitreto de Tântalo e em canais de Grafeno transferidos por dieletroforese (DEF) ou por litografia e corrosão seca
Title Alternative: Development of field effect transistor based on Tantalum Nitride electrodes and on Graphene channels transferred by dielectrophoresis (DEP) e by lithography and dry etching
Author: Pascon, Aline Maria, 1987-
Advisor: Diniz, José Alexandre, 1964-
Abstract: Resumo: O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de transistores de efeito de campo (Field Effect Transistors - FETs) baseados em grafeno (GraFETs), como canal de condução elétrica, e em nitreto de tântalo (TaN), como eletrodos de fonte e dreno (S/D). Os transistores são do tipo back-gate, em que a estrutura de porta é conectada pelo substrato de Si n+ (que é usado como eletrodo), que está coberto pelo dielétrico de óxido de tântalo (TaOx), que por sua vez, está em contato com o canal de grafeno. Para obter os GraFETs, folhas de grafeno, dispersas em solução líquida N-N-dimetilformamida (DMF) ou N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), ou obtidas por deposição química da fase vapor (Chemical Vapor Deposition - CVD), foram depositadas entre S/D a partir de dois processos distintos, respectivamente: i) por dieletroforese (DEP) de folhas dispersas em solução DMF ou NMP; ou ii) por transferência das folhas obtidas por CVD sobre as amostras, com etapas sequenciais de litografia óptica, de corrosão seca por plasma de oxigênio e de limpeza orgânica. Assim, os dispositivos são identificados como GraFETs baseados em grafeno DEP ou em grafeno CVD, respectivamente, e são obtidos individualmente e integrados em arranjo paralelo de 300 transistores. A integração em escala de centenas de transistores, usando litografia óptica é uma primeira inovação desta tese, pois os principais laboratórios empregam a litografia por feixe de elétrons, o que torna o processo mais lento. Os eletrodos de S/D de TaN, depositados por pulverização catódica (sputtering), foram escolhidos pois são refratários, o que permite executar etapas de recozimento térmico em temperaturas maiores que 400oC, e apresentam função trabalho similar a do grafeno, possivelmente resultando em baixo valor da barreira de potencial (menor que 1 eV) na junção TaN/grafeno. Ambas as características permitem reduzir a resistência de contato entre eletrodo de TaN e grafeno, o que é primordial para o bom desempenho dos GraFETs. Trata-se de outra importante inovação deste trabalho, pois normalmente os eletrodos são de Au ou Pt. Assim, cálculos ab initio, utilizando teoria da densidade funcional (DFT), foram realizados para investigar as propriedades mecânicas e eletrônicas da interface grafeno/TaN a nível atômico. Dois modelos foram considerados, com terminações Ta e N para o ?-TaN(111) com uma, duas, três e quatro camadas de grafeno sobre a superfície do metal. Nos dois casos, as energias de adesão de 1,8 J/m2 e 0,9 J/m2 para as terminações em N e Ta, respectivamente, indicaram aderência do metal ao grafeno. As funções trabalho para ambas as terminações foram calculadas, 6,02 eV e 4,8 eV para as terminações N e Ta, respectivamente, com apenas esta última concordando com valores medidos experimentalmente. Cálculos de interface mostraram que o metal com terminação em Ta é mais transparente à injeção de portadores na interface com o grafeno, uma vez que, nesse caso, não há barreira potencial entre o metal e a primeira camada de grafeno. Comportamento este que não ocorre para a terminação em N, que possui barreira potencial calculada de 2,4 eV. Assim, a terminação em Ta é a mais desejada na interface TaN/grafeno, que resulta em menor resistência de contato, permitindo o funcionamento mais eficiente dos dispositivos. Características elétricas de corrente-tensão (I-V) com comportamento ôhmico (linear) que indica a ausência de uma barreira potencial mostram que os transistores funcionam como esperado, indicando que a interface é rica em Ta nos contatos de S/D. Elas mostram também que os GraFETs com grafenos DEP e CVD alcançaram transcondutâncias máximas de 2,4 mS e 2,5 mS e mínima resistência de contato de 3,4 ? e 4,3 k?, respectivamente. No entanto, os GraFETs fabricados com grafeno DEP apresentaram alto desvio padrão nas medidas elétricas quando comparadas às medidas elétricas dos GraFETs com grafeno CVD. Características físicas dos GraFETs, baseadas em análises de microscopia eletrônica por varredura (SEM) e por espectroscopia Raman, indicaram a obtenção e a integração dos dispositivos, e que o grafeno CVD apresentou melhor qualidade estrutural que o DEP, além de uma melhor uniformidade na transferência das folhas sobre os transistores. Isto permite uma maior integração dos FETs. Vale salientar que os resultados das características físicas são consistentes com as elétricas. Assim, concluiu-se que os transistores baseados em canais de condução elétrica de grafenos CVD e em eletrodos de TaN são promissores para futuros circuitos integrados em substituição aos tradicionais baseados em canais de condução elétrica de Si

Abstract: The goal of this work is the development of field effect transistors (FETs) based on graphene (GraFETs), as the electrical conduction channel, and on tantalum nitride as the source and drain electrodes (S/D). In the back-gated transistors proposed, the gate is connected by the Si n+ substrate (used as electrode), covered by a tantalum oxide dielectric (TaOx) layer, which is in contact with the graphene channel. To produce the GraFETs, sheets of graphene scattered in N,N-Dimethylformamide (DMF) or in N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) liquid solutions, or grown by chemical vapor deposition (CVD) were deposited between the S/D from two distinct processes: i) by dielectrophoresis (DEP) of the sheets dissolved in DMF or NMP liquid solutions or ii) by transfer of graphene grown by CVD, with photolithography, O2 plasma etching and organic cleaning, in sequential steps. Then, the devices are identified as GraFETs based on graphene DEP and graphene CVD, respectively, which are built individually and integrated in a parallel array of 300 FETs. The integration scale of hundreds of transistors, using photolithography, is the first innovation of this thesis, since the main laboratories employ e-beam lithography, making the process slower. The S/D TaN electrodes deposited by sputtering were chosen due to the refractory property of TaN, allowing annealing processes in temperatures above 400 °C, and its work function similar to graphene, potentially providing a low potential barrier (< 1 eV) in the TaN/graphene junction. Both characteristics allow a reduced contact resistance between TaN electrode and graphene, which is primordial for GraFETs performance. The choice of metal is another novelty presented in this work because in general simple metals such as Au and Pt are used as electrodes. At the same time, ab initio calculations using density functional theory (DFT) were performed to investigate the structural and electronic properties of the interface graphene/TaN. Two models were considered, with ?-TaN(111) terminated in N and Ta layers and with one (BL), two (1L), three (2L) and four (3L) graphene layers on the metal surface. In both cases, the adhesion energies of 1.8 J/m2 and 0.9 J/m2 for N and Ta metal surface terminations, respectively, indicate adhesion of graphene to metal. The calculated work functions for the N and Ta surface terminations were 6.02 eV and 4.8 eV, respectively, where only the latter agrees with experimental values. Interface calculations showed that the Ta-terminated surface is more transparent to carrier injection at the interface with graphene, since in this case there is no potential barrier between the metal and the first graphene layer. On the contrary, for the N-terminated surface the calculated potential barrier between the metal and the first graphene layer was 2.4 eV. Thus, a Ta-terminated metal surface is more desirable at the TaN/graphene interface, resulting in low contact resistance. I-V characteristics show that the transistors are working properly, suggesting that the metal surface terminations obtained for TaN S/D electrodes are likely composed mostly of Ta atoms. Moreover, the GraFETs fabricated by graphene DEP and graphene CVD reached maximum transconductances of 2.4 mS and 2.5 mS, and minimum contact resistance of 3,4 ? and 4.3 k?, respectively. However, GraFETs fabricated using graphene DEP showed high standard deviation in electrical measures when compared to GraFETs fabricated using graphene CVD. Physical characteristics, based on scanning electronic microscopy and Raman spectroscopy, confirmed the desired construction and the integration of the devices, and that the graphene CVD presents better structural quality than graphene DEP, as well as better uniformity in the graphene transfer process, allowing a denser integration of the FETs. Finally, the physical characteristics are consistent with electrical measurements. Thus, it follows that transistors based on graphene CVD conduction channel and TaN electrodes offer great promisse for future integrated circuits in replacement of traditional Si-based transistors
Subject: Grafeno
Transistores de efeito de campo
Funcionais de densidade
Transistores de efeito de campo de semicondutor de metal
Simulação atomística
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

Files in This Item:
File SizeFormat 
Pascon_AlineMaria_D.pdf7.93 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.