Engineering doping profiles in graphene: from Dirac fermion optics to high frequency electronics.
Ingénierie du profil de dopage dans le graphène : de l’optique des fermions de Dirac à l'électronique haute fréquence.
Résumé
This thesis discusses the nanostructuration of local gates for electronic transport in graphene. The nanostructured gates enable a full control of the graphene doping profile at the Fermi wavelength scale which is the primary condition for Dirac Fermion optics experiments. This control of the doping profile proves to be necessary for the realization of high frequency transistors as well.
In this work, I first present a new technology based on local bottom gates and high mobility graphene on thin boron nitride. This allows the realization of sharp and tunable p-n junctions which are the building blocks for Dirac Fermion optics. I will discuss a direct application of this technology, the Klein tunneling transistor, which takes advantage of the refractive properties of Dirac Fermions to open a transmission gap in graphene. Then this technology is implemented in a device with a gate located underneath the contact area in order to tune in situ the work function difference between the metal and the contacted graphene. The contact doping is monitored by measuring the resistance of the contact junction. In particular, the contact resistance is tuned and the polarity reversal of the contacted graphene is demonstrated.
The last two chapters are devoted to the study of our devices when they are driven at high bias, which is the relevant regime for a high frequency transistor. In this regime, a current saturation is observed due to the electron-phonon inelastic scattering. From the current saturation measurement we extract the relevant phonon energy scale, pointing out a mechanism dominated by the surface phonons of the boron nitride substrate. In addition, we observe and model the non-uniform doping profile that arises in local gated devices at high bias which contributes also to the current saturation. Finally, the devices are measured in the gigahertz range to show how those current saturation mechanisms can improve the power gain of a graphene microwave transistor.
Cette thèse traite du contrôle du profil de dopage dans le graphène au moyen de grilles locales nano-structurées, pour l’électronique des fermions de Dirac. Cette nano-structuration à l’échelle de la longueur d’onde de Fermi s’avère essentielle pour réaliser des expériences d’optique de fermion de Dirac ainsi que, dans un registre plus appliqué, pour l’électronique haute-fréquence. Dans ce travail, je commence par présenter notre technologie, qui repose sur des grilles arrières locales et du graphène haute-mobilité sur nitrure de bore hexagonal. Cela nous permet de réaliser des jonctions p-n abruptes, accordables et balistiques, qui sont l’élement de base pour l’électronique des fermions de Dirac. Je traiterai une application possible de cette technologie, le transistor à effet tunnel de Klein, qui utilise la réfraction des fermions de Dirac pour controler l’ouverture et la fermeture du canal d’un transistor graphène. Ensuite, cette technologie est mise en application pour équiper un transistor d’une grille placée sous le métal de contact. Cette grille de contact donne un contrôle complet du dopage du graphène contacté et permet de moduler la resistance de la jonction de contact jusque dans le gigahertz.
Les deux derniers chapitres sont dévolus au régime de fort biais qui est pertinent pour les applications hautes fréquences ; dans ce régime le profile de dopage dépend aussi de la tension drain-source appliquée. Nous observons et modélisons la saturation de courant comme la conséquence de deux effets : la diffusion par les phonons de surface du substrat hBN et l’inhomogénéité de dopage dans les dispositifs à grilles locales. Enfin, nous évaluons les performances de nos dispositifs comme transistors radio-fréquences dans ce régime de saturation, notamment en terme de fréquence de coupure du gain de puissance.
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