Characterization and modeling of graphene-based transistors towards high frequency circuit applications

• Main Author: Aguirre Morales, Jorge Daniel
• Other Authors: Bordeaux
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Bicouche; Iabilité,; Graphène; Modèle compact; Monocouche; Verilog-A; Bilayer; Compact model; Graphene; Monolayer; Reliability; Verilog-A.
• Online Access: http://www.theses.fr/2016BORD0235/document

Ce travail présente une évaluation des performances des transistors à effet de champ à base de graphène (GFET) grâce à des simulations électriques des modèles compact dédiés à des applications à haute fréquence. Les transistors à base de graphène sont parmi les nouvelles technologies et sont des candidats prometteurs pour de futures applications à hautes performances dans le cadre du plan d’action « au-delà du transistor CMOS ». Dans ce contexte, cette thèse présente une évaluation complète des transistors à base de graphène tant au niveau du dispositif que du circuit grâce au développement de modèles compacts précis pour des GFETs, de l’analyse de la fiabilité, en étudiant les mécanismes critiques de dégradation des GFETs, et de la conception des architectures de circuits basés sur des GFETs.Dans cette thèse nous présentons, à l’aide de certaines notions bien particulières de la physique, un modèle compact grand signal des transistors FET à double grille à base de graphène monocouche. Ainsi, en y incluant une description précise des capacités de grille et de l’environnement électromagnétique (EM), ce travail étend également les aptitudes de ce modèle à la simulation RF. Sa précision est évaluée en le comparant à la fois avec un modèle numérique et avec des mesures de différentes technologies GFET. Par extension, un modèle grand signal pour les transistors FET à double grille à base de graphène bicouche est présenté. Ce modèle considère la modélisation de l’ouverture et de la modulation de la bande interdite (bandgap) dues à la polarisation de la grille. La polyvalence et l’applicabilité de ces modèles compacts des GFETs monocouches et bicouches ont été évalués en étudiant les GFETs avec des altérations structurelles.Les aptitudes du modèle compact sont encore étendues en incluant des lois de vieillissement qui décrivent le piégeage de charges et la génération d’états d’interface qui sont responsables de la dégradation induite par les contraintes de polarisation. Enfin, pour évaluer les aptitudes du modèle compact grand signal développé, il a été implémenté au niveau de différents circuits afin de prédire les performances par simulations. Les trois architectures de circuits utilisées étaient un amplificateur triple mode, un circuit amplificateur et une architecture de circuit « balun ». === This work presents an evaluation of the performances of graphene-based Field-Effect Transistors (GFETs) through electrical compact model simulation for high-frequency applications. Graphene-based transistors are one of the novel technologies and promising candidates for future high performance applications in the beyond CMOS roadmap. In that context, this thesis presents a comprehensive evaluation of graphene FETs at both device and circuit level through development of accurate compact models for GFETs, reliability analysis by studying critical degradation mechanisms of GFETs and design of GFET-based circuit architectures.In this thesis, an accurate physics-based large-signal compact model for dual-gate monolayer graphene FET is presented. This work also extends the model capabilities to RF simulation by including an accurate description of the gate capacitances and the electro-magnetic environment. The accuracy of the developed compact model is assessed by comparison with a numerical model and with measurements from different GFET technologies.In continuation, an accurate large-signal model for dual-gate bilayer GFETs is presented. As a key modeling feature, the opening and modulation of an energy bandgap through gate biasing is included to the model. The versatility and applicability of the monolayer and bilayer GFET compact models are assessed by studying GFETs with structural alterations.The compact model capabilities are further extended by including aging laws describing the charge trapping and the interface state generation responsible for bias-stress induced degradation.Lastly, the developed large-signal compact model has been used along with EM simulations at circuit level for further assessment of its capabilities in the prediction of the performances of three circuit architectures: a triple-mode amplifier, an amplifier circuit and a balun circuit architecture.