Diseño y fabricación de un dispositivo tipo transistor efecto de campo (FET) usando grafeno suspendido para su operación en Terahertz

Abstract

RESUMEN: Con el reciente y rápido crecimiento en las comunicaciones inalámbricas de RF (Radio Frecuencia) y el drástico aumento en la demanda de datos inalámbricos la banda Terahertz (THz) se concibe como la tecnología ideal para cubrir esta escasez de las bandas del espectro electromagnético hasta ahora utilizadas (f < 10 GHz). Es por ello que existe la fuerte necesidad de fabricar dispositivos más rápidos y con bajo costo. Una eficiente opción para conseguir esta meta es la introducción de nuevos materiales para el canal en la tecnología de los transistores de efecto de campo (FET) ya que representa el bloque de construcción básico de los sistemas de la información moderna y tecnologías de la comunicación. Los materiales de dos dimensiones (2DMs) tienen una alta consideración por los investigadores debido a sus extraordinarias propiedades intrínsecas electrónicas, transporte cuasi-balístico y alta velocidad de Fermi, el grafeno y los nanotubos de carbono son posibles candidatos para ser empleados en la fabricación de dispositivos para comunicaciones. Este trabajo de tesis se enfoca en el diseño, fabricación y caracterización de dos dispositivos tipo FET con canales de grafeno suspendido para su operación en THz. En el capítulo uno de este trabajo se presenta la estructura básica y comportamiento de los FET y se describe las principales características del grafeno. También se presentan la estructura y modo de operación de un FET con canal de grafeno (GFET). En el capítulo dos se presenta el diseño del dispositivo, cálculo y ajuste de la impedancia característica, la geometría G-S-G (ground-signal-ground) de la sonda de pruebas del analizador de redes vectorial (VNA), la adaptación de los contactos del dispositivo a esta misma y el diseño mediante los softwares CLEWIN y NANOSUITE. En el capítulo tres se muestra los procesos de fabricación de los dispositivos, metalización, fabricación de microelectrodos mediante litografía electrónica en el Instituto Politécnico Nacional (IPN) y fotolitografía convencional en el Instituto de Micro y Nanotecnología de Madrid, España y el depósito de grafeno mediante la balanza de Langmuir-Blodgett (BLB) para construcción de GFETs. En el capítulo cuatro se muestran las técnicas de caracterización del dispositivo, mediante microscopia óptica, microcopia electrónica de barrido (SEM) y topográfica por microcopia de fuerza atómica (AFM), la caracterización eléctrica mediante el equipo analizador de semiconductores B1500A y la caracterización de los parámetros de dispersión mediante el analizador de redes vectorial. Finalmente, un capítulo cinco donde se presenta una visión general de los resultados obtenidos de este trabajo experimental. ABSTRACT: With the new and rapid growth in wireless communications and consumption in the demand for wireless data, the Terahertz band is conceived as the ideal technology to cover this shortage of band of the commercial bands used today (f < 10 GHz). That is why there is a need to elaborate faster and low-cost devices. An efficient option to achieve this goal is the introduction of new materials in the technology of field effect transistors (FET). Two-dimensional materials (2DMs) have attracted a high attention for the results of their extraordinary characteristics such as intrinsic electronic properties, quasi-ballistic transport and high fermi speed, Graphene and carbon nanotubes are candidates to be used in the manufacture of devices for communications. This thesis work focuses on the design, manufacture and characterization of FET-type devices with suspended graphene channels for their operation in THz. In the chapter one of this paper we present the basic structure and behavior of FETs and describe the characteristics of graphene. The structure and mode of operation of an FET with graphene channel (GFET) is also shown. The chapter two presents the design of the device, the calculation and adjustment of the characteristic impedance, the GSG (ground-signal-ground) geometry of the Vector Network Analyzer (VNA) test probe, the adaptation of the device contacts’ to GSG geometry and the design through the CLEWIN and NANOSUITE software’s. The chapter three shows the fabrication of the devices, metallization, and the elaboration of gold microelectrodes by electronic lithography at the National Polytechnic Institute (IPN) and conventional photolithography at the Micro and Nanotechnology Institute of Madrid and the graphene deposit using the balance of Langmuir-Blodgett (BLB) for construction of GFETs. The chapter four shows the techniques to characterize of the device, the topographic characteristic of the device by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microcopy (AFM), the electrical characteristic by the semiconductor analyzer B1500A and the Characterization of the dispersion parameters by the VNA. Finally, a chapter five where a general overview of the results obtained from this experimental work is presented.