Thin-film technology for graphene-based electronic devices and circuits

Aachen (2019) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xii, Aii, 154 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

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.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Elsayed, Mohamed

Gutachterinnen und Gutachter

Negra, Renato
Lemme, Max Christian

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-06745

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