Graphene Integration in Silicon Microelectronic Technology for Fabrication of Hybrid Devices

Scopo di questo lavoro è lo sviluppo di un processo affidabile e riproducibile, dove i processi di crescita e trasferimento del grafene (Gr) sono integrati in modo efficace nella piattaforma tecnologica del silicio, per la fabbricazione di dispositivi innovativi in Gr. L’attualità di questa ricerca è confermata dall’iniziativa 2D Pilot Line, finanziata dalla CE e operativa dal 2021, che favorisce l’uso di materiali 2D promuovendo la fabbricazione di prototipi. Il lavoro di tesi è organizzato in 3 moduli: i) il “modulo grafene”, che consiste nella messa a punto dei singoli processi tecnologici (crescita, trasferimento del Gr sul substrato di Si, definizione e attacco delle strutture in Gr, ricoprimento del Gr). È il modulo base per l'integrazione del Gr nella piattaforma microelettronica. Grande attenzione è posta al mantenimento della qualità del Gr, controllata attraverso lo studio delle sue proprietà elettriche e strutturali. ii) il “modulo fabbricazione”, in cui i processi messi a punto sono organizzati in un flusso tecnologico complesso, (compatibile con l’approccio back end of line). In questo modulo strutture di test e dispositivi di base in Gr sono fabbricati ed estesamente caratterizzati, con un duplice obiettivo: estrarre informazioni sulle principali proprietà del grafene, come drogaggio, mobilità, resistenza strato, resistenza di contatto, livello di Fermi, ecc., e studiare come esse si modificano per effetto dei processi eseguiti; o studiare l’interazione fisica tra Gr e Si. Particolare attenzione è posta alla resa e all’uniformità dei parametri nei dispositivi fabbricati, definendo opportune strutture di test e protocolli di misura, che attraverso l’analisi dei dati consentono la caratterizzazione dell’intero processo. iii) il “modulo applicativo”. Sulla base delle informazioni ottenute nel modulo precedente, è definita la procedura (da intendersi come sequenza ottimizzata dei passi e dei controlli da eseguire) che consente la fabbricazione di dispositivi complessi. In questa tesi si è fabbricato un fotorivelatore in grafene che opera nel NIR. Un’estesa caratterizzazione elettrica e ottica ha consentito di studiare il ruolo del grafene sul suo funzionamento. Tra le diverse strutture di test, ampio spazio è stato dedicato alla fabbricazione e caratterizzazione di diodi Schottky in grafene, e all’ottimizzazione della qualità dell’interfaccia Gr/Si, studiando diversi processi di trasferimento del Gr. I parametri tipici del diodo sono stati estratti utilizzando i metodi classici (sviluppati per i diodi metallo/Si), evidenziandone i limiti di validità dovuti alla dipendenza del livello di Fermi del Gr dalla tensione applicata. Nel tentativo di ottenere una migliore comprensione del meccanismo di conduzione nei diodi Gr/Si è stato sviluppato un modello, introducendo un’equazione che esprime la corrente in funzione del numero di cariche scambiate tra Gr e Si, e inserendo nelle equazioni del modello la dipendenza del livello di Fermi del Gr dalla tensione applicata. Il modello, utilizzato per il fitting delle misure sperimentali, ha evidenziato il ruolo giocato nella definizione della barriera Schottky del diodo dalla densità delle cariche di superficie in polarizzazione diretta e dallo strato invertito in inversa. Come dispositivo finale è stato fabbricato un fotorivelatore in Gr, operante nel NIR, dove il Gr è inserito all’interno di una cavità risonante, costituita da Si cristallino e Si amorfo, al fine di aumentarne la responsività. La caratterizzazione elettro-ottica nel NIR ha evidenziato un notevole aumento della corrente termo-ionica del dispositivo. Il modello sviluppato riproduce gli andamenti sperimentali ottenuti e lega l’aumento della corrente alla riduzione del livello di Fermi del grafene indotto dall’iniezione delle cariche rilasciate dalle trappole all’interfaccia Gr/Si amorfo per effetto della luce.

The aim of this work is to develop a reliable and reproducible process to fabricate high quality graphene (Gr) devices, combining effective Gr growth/transfer and efficient fabrication technology. This is an emerging trend, further confirmed by the EC-financed 2D Pilot line, started in 2021 with the aim to make 2D materials integration accessible to EU companies, SMEs, and researchers, to promote prototyping of hybrid devices. The work of the thesis is organized in three modules: i) the graphene module, where all the technological processes required for the integration of Gr into the silicon (Si) microelectronic platform (Gr growth, transfer onto the Si substrate, photolithographic patterning and etching, and Gr encapsulation) are developed. Besides the process development, electrical and structural characterization are used to continuously check the Gr quality and study how Gr properties are affected by the technological processes. ii) The fabrication module, where the developed processes are organized in a process flow, compatible with the back end of line approach, and available for the fabrication of test structures and basic Gr devices. From these devices, information on the main Gr properties, (doping, mobility, sheet resistance, contact resistance, Fermi level, etc.) are extracted, and the physical interactions between Gr and Si are investigated. Yield and uniformity of device properties are key metrics for the fabrication technology, therefore test structures, measurement protocols and data analysis have been developed and exploited to characterize the full process. iii) The last module is the application module. The broad experience acquired through the fabrication of Gr test structures, has allowed a “best practice” procedure to be defined towards the fabrication of hybrid Gr devices. In this work, Gr photodetectors working in the NIR have been fabricated and fully characterized, studying the effect of the introduction of Gr on their performances. The core of the work is represented by the Gr/Si Schottky junctions, fabricated using different Gr transfer procedures. Standard methods for the extraction of 3D diode parameters have been applied to 2D Gr diodes, identifying the region where each parameter should be extracted, and highlighting the voltage bias dependence of the Gr Fermi level and its effect on the diode’s Schottky barrier height (SBH). Moreover, a model has been introduced, in order to account for the conduction mechanisms and shifts in Gr Fermi level that occurs by applying positive and negative bias to the Gr/Si junction. In particular, a new equation, working in the region near the thermionic conduction and consistent with experimental measurements, was introduced. The model is used to fit experimental I-V, highlighting the important role played by charge surface density in forward bias, and by the inversion layer in reverse bias, in defining the value of the Gr/Si SBH that is established at the interface. Moreover, it has been demonstrated that different Gr transfer processes could affect the number of surface states, having an effect also on the final SBH of the Gr/Si junction. The experience achieved on Gr/Si Schottky junctions was extended to the fabrication of Gr photodetectors (PD) working in the near-infrared (NIR). Here the graphene layer is physically embedded between a crystalline and a hydrogenated silicon layer realizing the resonant cavity, to enhance the detector responsivity. Under NIR illumination these PDs show an unforeseen increase in the thermionic current. This effect has been ascribed to the lowering of the Gr/c-Si Schottky barrier as a result of an upward shift of the graphene Fermi level induced by charge carriers released from traps localized at the Gr/amorphous Si interface under illumination. A complex model reproducing the experimental observations has been presented and discussed.