Passivating layer optimization in graphene field-effect transistors: Analysis of atomic layer deposited dielectrics
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
70
Series
Abstract
Graphene field-effect transistors (GFETs) combine exceptional sensitivity, high carrier mobility, and ambipolar conductivity, making them attractive for advanced biosensing applications. Yet, their performance is strongly affected by adsorbates and interfacial defects, contributing to unintentional doping, hysteresis, instability, and device-to-device variability. The objective of this study was to investigate different dielectric passivation strategies to suppress such effects and identify an optimal encapsulation strategy. Thermal atomic layer deposition (ALD), remote plasma-enhanced atomic layer deposition (PE-ALD), and e-beam evaporation were studied alongside metal seeding and thermal annealing surface treatments to improve ALD nucleation. Electrical characterization was performed to evaluate the Dirac voltage distribution, carrier mobility, hysteresis, and ageing, complemented by structural analysis of remote PE-ALD nucleation. Thermal ALD with a thin metal seeding layer provided the most reliable electrical performance, with a narrow Dirac point distribution near charge neutrality, reduced hysteresis, and uniform nucleation. Post-deposition annealing restored the as-deposited electrical performance of environmentally aged devices, shifting the Dirac voltages back toward charge neutrality. All remote PE-ALD processes resulted in electrically non-functional devices, confirming plasma-induced graphene degradation, since morphological uniformity alone was insufficient to ensure electrical integrity. In contrast, the e-beam evaporated dielectric induced strong p-type doping, limiting its present compatibility with high-performance GFET encapsulation. Overall, this study confirmed thermal ALD with suitable surface preparation as a robust encapsulation method that could enable more stable GFET integration into biosensing platforms.Grafeenikenttätransistoreissa (GFET) yhdistyy poikkeuksellinen herkkyys, korkea varauksenkuljettajien liikkuvuus sekä ambipolaarinen sähkönjohtavuus, minkä ansiosta ne ovat lupaava vaihtoehto biosensorisovelluksiin. Niiden suorituskyky kuitenkin heikkenee adsorboituvien epäpuhtauksien sekä rajapintavirheiden vuoksi, mikä ilmenee epätoivottuna dopingina, hystereesinä, epästabiiliutena sekä laitekohtaisena vaihteluna. Tämän työn tavoitteena oli tutkia eri dielektrisiä passivointimenetelmiä näiden ilmiöiden hillitsemiseksi ja löytää optimaalisin kapselointiratkaisu. Tutkimuksessa vertailtiin termistä atomikerroskasvatusta (ALD), plasma-avusteista ALD:tä (PE-ALD) ja e-säde-evaporaatiota yhdessä pintakäsittelyjen (metallialustuskerroksen sekä lämpökäsittelyn) kanssa nukleaation parantamiseksi. Dirac-jännitteen jakaumaa, varauksenkuljettajien liikkuvuutta, hystereesiä ja ikääntymistä tutkittiin sähköisillä mittauksilla, joita täydennettiin plasma-avusteisten kapselointien rakenteellisella analyysilla. Metallialustuskerros yhdessä termisen ALD:n kanssa antoi luotettavimmat sähköiset ominaisuudet: Dirac-jakauma oli kapein ja lähimpänä varausneutraaliuspistettä, hystereesi väheni ja parantunut nukleaatio johti yhtenäisempään dielektrikerrokseen. Pinnoituksen jälkeinen lämpökäsittely palautti ikääntyneiden laitteiden alkuperäiset ominaisuudet siirtämällä Dirac-pisteitä takaisin kohti varausneutraaliutta. Kaikki plasma-avusteiset pinnoitusprosessit tuottivat sähköisesti toimimattomia laitteita, mikä osoitti plasman aiheuttavan grafeeniin rakenteellisia vaurioita: pelkkä morfologinen tasaisuus ei riittänyt takaamaan sähköistä toimivuutta. E-säde-evaporaatiolla kasvatettu dielektrinen kerros puolestaan aiheutti voimakasta p-tyypin dopingia, mikä tällä hetkellä rajoittaa menetelmän soveltuvuutta korkealaatuiseen kapselointiin. Tämä työ osoitti, että terminen ALD yhdistettynä sopivaan pintakäsittelyyn on lupaava kapselointimenetelmä, joka voisi mahdollistaa GFET-laitteiden vakaamman integroinnin biosensorialustoihin.Description
Supervisor
Miikkulainen, VilleThesis advisor
Kilpi, Olli-PekkaMurros, Anton