A Figura 4.5 apresenta as medidas elétricas realizadas no GraFET fabricado. A Figura 4.5 apresenta as curvas características de corrente entre fonte e dreno (IDS) versus tensão entre fonte e dreno (VDS) para vários valores de tensão aplicados à porta (-5 V ≤ VGS ≤ +5 V, passo de 1 V). Essas características exibem a modulação da porta do transistor,
uma vez que a corrente IDS é alterada de acordo com a tensão da porta VGS aplicada, para tensões VDS de -5 V a +5 V, com passos de 0,1 V. Portanto, essas curvas apresentam:
i) Comportamento ôhmico, pois para VDS igual a 0 V, o IDS é 0 A para todas as medidas, indicando ausência de corrente de fuga;
ii) Comportamento ambipolar, que é uma característica típica dos GraFETs (HADDAD; FLANDRE; RASKIN, 2018; HASLAM et al., 2017; MACKIN; MCVAY; PALACIOS, 2018) e (CÉAR et al., 2014), pois essas curvas apresentam condução em polarizações negativa e positiva.
Figura 4.4. (a) Características IDS-VDS para vários valores de VGS (-5 V ≤ VGS ≤ +5 V, passos de 1 V) e -5 V
≤ VDS ≤ +5 V para um GraFET.
Fonte: Retirado de (RUFINO et al., 2018).
Novamente, o comportamento ambipolar é apresentado na curva IDS-VGS (Figura 4.5(b), para VDS = 0,5 V), de forma semelhante aos resultados apresentados nas referências (HADDAD; FLANDRE; RASKIN, 2018; HASLAM et al., 2017; MACKIN; MCVAY; PALACIOS, 2018); (PASCON et al., [s.d.]) e revela que o grafeno não é dopado, uma vez que VDirac é igual a 0V. Neste ponto, o valor de corrente IDS é de 10,7 pA. Este valor de corrente é bem baixo para transistores GraFET (SELVARAJAN; HAMZAH; MAJLIS, 2017) e similar aos obtidos por transistores planares MOSFETs de Si, com
tecnologias de 45 nm ou 32 nm, usados para aplicação digital em processadores (REZZAK et al., 2012). Verifica-se na curva IDS-VGS, Figura 4.6(a), para VDS = 0,5 V, nos ramos p e n, que os valores de corrente IDS são de 406 nA e 294 nA, para VGS de -5V e 5V, respectivamente, resultando em uma variação de 112 nA, Portanto, indica que ocorreu a assimetria na inclinação, tal como mostra a curva IDS-VGS, Figura 4.b(b), da referência BARTOLOMEO et AL., 2015, que pode ser proveniente da injeção desbalanceada de portadores no canal de grafeno (NAGASHIO; TORIUMI, 2011). Este desbalanceamento é explicado com base na taxa de injeção de portadores do canal para o contato, que resulta, conforme mostra a Figura 4.6(b), no grafeno uma estrutura p-p+-p, no ramo p (para VGS<0), e uma estrutura p-n-p, no ramo n (para VGS>0), com o último sendo mais resistivo (BARTOLOMEO et al., 2015; HADDAD; FLANDRE; RASKIN, 2018). Quando se comparam as curvas das Figuras 4.5(b) e (c), verifica-se que, o nosso GraFET apresenta corrente IDS com duas ordens de grandeza maior do que as da referência BARTOLOMEO et AL., 2015. Isto pode ser devido ao canal do nosso dispositivo ser formado por dez fitas em paralelos, o que pode aumentar a corrente.
Figura 4.5. (a) Curva IDS-VGS. (b) Curva IDS-VGS explicando a taxa de injeção de portadores do canal para o
contato.
A Figura 4.6 além da curva Log de IDS versus a tensão da porta VGS, apresenta também a curva da transcondutância (gm) versus a tensão VGS, em VDS = 0,5 V.
Figura 4.6: Log de IDS (linha preta) e transcondutância gm (linha azul) vs tensão de porta VGS, para VDS = 0,5
V.
Fonte: Adaptado de (RUFINO et al., 2018).
Para a curva gm-VGS, um valor máximo de transcondutância de 0,3 µS foi medido em VGS = -10 V, o que corresponde a 0,08 µS/µm, considerando a largura total do canal de condução de 3,6 µm, que é a soma de dez fitas de grafeno em paralelo, com cada largura de aproximadamente 0,36 µm (RUFINO et al., 2018), que foi obtido por análise MEV (Figura 4.1). Essas medidas foram obtidas com dispositivos sem o processo de recozimento, que será realizado no futuro, para melhorar os valores de transcondutância e o contato grafeno/metal.
Em resumo, todas as curvas indicaram que esses GraFETs, com o canal com 10 fitas de monocamada de grafeno em paralelo, filmes de TiO2, como dielétrico de porta, e TiN, como eletrodos/pads metálicos, estão funcionando de forma adequada, com o grafeno usado sendo de alta qualidade, próxima à estrutura pristine, comprovada pelo valores de VDirac igual a zero para corrente baixíssima para GraFET de 10,7 pA.
A tabela 4.1 apresenta uma comparação das características estrutural (dos canais de grafeno), obtidas através das medidas de espectroscopia Raman, e elétrica, obtidas através das medidas de corrente versus tensão e transcondutância versus tensão, dos dispositivos fabricados na Unicamp, tanto deste trabalho (RUFINO, 2018), quanto dos trabalhos de SOUZA, 2012, PASCON, 2016 e SILVA, 2015.
Tabela 4.1: Comparação entre os dispositivos desenvolvidos na Unicamp.
Este trabalho (SOUZA, 2012) (PASCON, 2016) (SILVA, 2015) Forma do Canal de Grafeno 10 Micro Fitas
Aleatória Retangular Aleatória Retangular
Método de obtenção
Grafeno CVD DEP CVD DEP CVD
Análise Raman
𝑰𝟐𝑫⁄ 𝑰𝑮 2 - - 0,5 3,2
Pos (G)
(cm-1) 1584 - 1587 1580 1582
Eletrodo F/D TiN TaN TaN TaN Pd
VDirac(V) 0 0,5 0 -2 0,4
GM(μS) 0,3 - 70 24000 105
𝑮𝑴⁄𝑾(μS/ μm) 0,008 - - - -
A tabela 4.1 apresenta comparações dos resultados dos dispositivos fabricados na Unicamp, tanto os resultados deste trabalho, quanto os das teses de SOUZA, 2012, PASCON, 2016 e SILVA, 2015. Nas medidas estruturais, por espectroscopia Raman, as posições do pico G dos grafenos, utilizados nos transistores do presente trabalho (CVD) e nos desenvolvidos por (PASCON, 2016) (só o CVD) e por (SILVA, 2015) (CVD), encontram-se entre 1582 e 1587 cm-1. Nesse intervalo, os grafenos são monocamadas (FERRARI et al., 2006). Já os valores da razão de I2D⁄IG, que indicam a qualidade do
grafeno (FERRARI et al., 2006). E apenas os grafenos obtidos por CVD apresentam razão maior que 2, para os resultados deste trabalho e das teses de (PASCON, 2016) (só o CVD) e (SILVA, 2015), indicando boa qualidade, com baixa densidade de defeitos (FERRARI et
al., 2006). As medidas elétricas apontam que todos os canais de grafeno obtidos por CVD apresentam tensões referente ao ponto de Dirac próximos à zero (entre 0 e 0,4V), indicando grafeno não dopado. Já nos GraFETs, em que o grafeno é obtido por DEP, nas teses de (SOUZA, 2012) é igual a 0,5 V e no trabalho de (PASCON, 2016) é de -2V, estes valores indicam grafenos com defeitos. Se acrescentarmos a boa qualidade, proveniente das análises Raman, aos valores de VDirac próximo de zero, extraídos das medidas elétricas,
têm-se para o grafeno obtido por CVD uma alta qualidade de canal, próxima da estrutura
pristine, com poucos defeitos, primordial para GraFETs para obter mais alto desempenho.
Um resultado interessante deste trabalho é a corrente IDS de 10,7 pA para o VDirac em 0V.
Trata-se de um valor de corrente de fuga similar aos transistores planares MOSFETs usados em processadores com tecnologias CMOS de 45 nm e 32 nm.
Já para a comparação em transcondutância, o valor encontrado no dispositivo deste trabalho é de 0,3μS enquanto no de autoria de (PASCON, 2016) foi de 70 μS e 24000 μS para canais de grafenos obtidos por CVD e para DEP, respectivamente. Estas discrepâncias nos valores estão relacionadas com os valores de largura W dos canais, que para este trabalho é formado por micro fitas e para as teses são retangulares e bem maiores. Como a transcondutância é proporcional ao W, quem tem canal de micro fitas deve mesmo apresentar baixa transcondutância.
O que é importante ressaltar que, tanto este trabalho, quanto as teses de (PASCON, 2016) (só o CVD) e (SILVA, 2015), fabricaram GraFETs com transferência de grafenos obtidos por CVD e definidos por litografia e corrosão por plasma de oxigênio. Assim, esta tecnologia está muito bem estabelecida na Unicamp, e poderá ser transferida para outras instituições com as publicações destes trabalhos.