Étude et caractérisation d'un procédé intégrable pour la fabrication de composants supportés ou suspendus à base de graphène CVD

Characterization of a scalable fabrication process for supported or suspended devices made of CVD graphene

• Auteur / Autrice : Ömür Işıl Aydin
• Direction : Mireille Mouis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 29/09/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Franz Brückert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mireille Mouis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Happy, Max Lemme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Procédé

Raman

Contraintes

CVD

Suspendu

Graphene

Fabrication

Raman

Strain

CVD

Suspended

Résumé

Nous vous proposons un procédé de fabrication pour obtenir des dispositifs de graphène suspendu avec rendement élevé (~ 90%). Surtout, nous nous concentrons sur l'intégrabilité de procédé ainsi que sa compatibilité avec les technologies existantes de silicium. Pour répondre à ces questions, nous avons développé un système de fabrication à base de graphène qui était synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).L'étape la plus importante dans le processus de fabrication est liée à la gravure du substrat de SiO2 sous-jacente à suspendre les rubans de graphène. Il est souvent rapporté dans la littérature que, à ce stade, les forces capillaires peuvent provoquer l'effondrement des rubans de graphène. En dehors de cet effet, nous avons trouvé que la qualité de l'interface entre le masque de gravure et le substrat est essentielle pour suspendre les dispositifs de graphène avec succès. Ce n'est que lorsque la qualité de cette interface a été amélioré, nous avons atteint des rendements remarquablement élevés d'environ 90%. Caractérisation par spectroscopie Raman, la microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie à force atomique (AFM), qui était effectuée après chaque étape de fabrication, ont attesté que notre méthodologie n'a aucune dommage sur la qualité du graphène.Par la suite, nous avons utilisé la spectroscopie Raman pour étudier le dopage et la contrainte dans nos dispositifs de graphène CVD. Alors que nous avons observé une forte dopage de type p sur graphène supporté sur SiO2 dans l'air, le dopage seul ne peut pas tenir compte des spectres observés. Au lieu de cela, nous concluons que les échantillons de graphène mesurées présentent une contrainte interne de compression, qui ne se relâche pas complètement pendant la fabrication. Nous attribuons cette contrainte au budget de la température de CVD et au polymère rigide de transfert.Enfin, nous avons étudié les caractéristiques électriques de nos dispositifs à température ambiante ainsi qu'à basse température. Les mesures ont confirmé la forte dopage de type p de graphène, et en suite, ‘back-gating' ont donné une modulation faible de courant. Mesures magnéto-transport, qui sont effectuées à 20 K et 4, ont été utilisés pour extraire la densité de porteurs et la mobilité des dispositifs supportés sur SiO2. Faibles valeurs de mobilité sont attribuées à la diffusion par les joints de grains. À des champs magnétiques faibles, nous avons observé des signatures de localisation faible, ce qui implique que ‘intervalley scattering' est le mécanisme dominant dans nos échantillons. À des champs magnétiques élevés, la résistivité longitudinale a montré oscillations robuste à température qui pourraient être identifiés comme niveaux de Landau.

We propose a high-yield (~ 90%) fabrication route to obtain suspended graphene devices. Importantly, we focus on the scalability of the process as well as its compatibility with existing Si technologies. To address these issues, we developed a fabrication scheme based on graphene grown by chemical vapor deposition (CVD).The most crucial step in the fabrication process relates to the etching of the underlying SiO2 substrate to suspend the graphene ribbons. It is often reported in the literature that at this stage, capillary forces can lead to the collapse of the graphene beams. We have found that apart from this effect, the quality of the interface between the etch mask and the substrate is key to successfully suspend graphene devices. Only when the quality of this interface was improved, were we able to achieve remarkably high yields of approximately 90%. Characterization by Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM), performed after each step of fabrication, attested that our methodology does not impact the quality of the graphene.We have subsequently employed Raman spectroscopy to investigate doping and strain in our CVD graphene devices. While we did observe a strong p-type doping of graphene supported on SiO2 in air, doping alone cannot account for the observed spectra. Instead, we conclude that the measured graphene samples display a compressive internal strain, which does not fully relax during fabrication. We attribute this strain to the large temperature budget of the CVD process and to the rigid transfer polymer.