Vågledarswitchar med grafen för högfrekvenstillämpningar
Resultat
Ett grafen-ark applicerades över ett öppet gap på en vågledarstruktur. Elektromagnetiska simuleringar utfördes för att mäta prestandan för vågledaromkopplaren av grafen över gapet. Switchdesignen är baserad på Gapwaves AB:s patenterade teknologi och täcker bandet 24 GHz–31 GHz. Den mellersta delen av vågledaren har en struktur för elektromagnetiskt bandgap (EBG) för att blockera vågen från att sändas, vilket gör att vågledaromkopplaren har ett AVläge. Ovanpå EBG-strukturen placerades ett ohmskt ark som representerar grafen och vågledaregenskaperna för olika resistiviteter för det ohmska arket beräknades. Vidare har vi funnit att värdena för grafen-resistiviteten på 0,5 Ohm/sq (ON) och 1 kOhm/Sq (OFF) är tillräckliga för att uppfylla specifikationerna för en insättningsförlust under 0,5 dB, returförlust över 25 dB och en isolering över 30 dB. För att extrahera resistiviteten hos grafen har en tillverkningsprocess utvecklats. Kiselchips användes som substrat för tillverkningen och mönstrades enligt vågledardesignen. Under tillverkningen har man upplevt att grafenöverföringsprocessen krävde många bearbetningssteg och var svår när det gäller reproducerbarhet. Resultaten från utvecklingen av tillverkningsprocessen var att processen för att överföra grafenet måste förenklas för att få en fungerande vågledaromkopplare och det finns ett behov av att förbättra processens reproducerbarhet.
Efter tillverkning av vågledarkiselbaserade chipprototyper karakteriserades varje chip för att bestämma dess lämplighet som en plattform för att demonstrera grafenets beteende som en switch. Varje kiselbaserat chip karakteriserades med avseende på kortslutningar mellan skikten samt att se till att guldkuddarna (används för elektrisk anslutning till grafenet) var korrekt anslutna via grafenet. Vi undersökte också grafenöverföring till en Al-baserad vågledarstruktur. Al2O3-skiktet måste ge korrekt elektrisk isolering mellan Al-strukturen och Au-pelarna. Korsmätning av skikt där det inte borde finnas någon kontakt, eller mycket högt motstånd, mellan Al- och Au-skiktet utfördes. Mellan guldpelarna genom grafenet ska det finnas god ledningsförmåga. Men bara tre prototyper av flertal har varit användbara för att utföra en arkresistansmätning under applicerad gate-spänning, på grund av strömläckage mellan Au- och Al-skikten genom Al2O3. Även om bakslag avseende läckage och en förlängd tid på grund av utvecklingen av nya chiptillverkningsmetoder, kunde backgating av grafen på kiselbaserat 2D-strukturchip genom applicerat elektriskt fält framgångsrikt demonstreras. Efter demonstration av backgate-effekt på 2D-struktur, gjordes en stor ansträngning för att åstadkomma samma demonstration för en 3D-vågledarstruktur.
Uppställningen skiljer sig från 2D-strukturen. Från botten och uppåt finns en aluminiumplåt med frästa kvadratiska pelare, där de mellersta metallryggarna är längre med samma höjd men rektangulär form. Ovanpå Al-plattan applicerades kaptontejp (polyimid) för att fungera som ett isoleringsskikt mellan Al-plattan och grafenet som appliceras ovanpå kaptontejpen. Efter grafenapplicering, skräddarsys kaptontejp och grafen med skalpell för att endast överbrygga de två metallryggarna med en stödpelare i mitten. En konstant ström applicerades över grafenet och Al-plattan kommer att ge ett elektriskt fält vilket ändrar grafenets motstånd och får grafenet att fungera som en omkopplare så vågledaren kan stänga vägen för vågen. Det överförda grafenet på kaptontejp innebar nya utmaningar som involverade både höga resistanser, mellan 2,7 kOhm–7 kOhm, och kontaktproblem. Kombinationen av kontaktproblem och hög motståndskraft hos grafen som överförts på kaptontejp gjorde att det tyvärr inte gick att demonstrera bakgrindeffekten på en 3D-struktur för tillfället.
Uppfyllde ni de uppsatta målen och förväntningarna?
Målet med projektet var att använda de justerbara ledande egenskaperna hos grafen för att inducera en omkopplingseffekt i vågledare för högfrekventa tillämpningar. Switchdesignen är baserad på Gapwaves AB:s patenterade teknologi och täcker bandet 24 GHz – 31 GHz. Vi har funnit att värdena för grafenresistiviteten på 0,5 Ohm/sq (ON) och 1 kOhm/Sq (OFF) är tillräckliga för att uppfylla specifikationerna för en insättningsförlust under 0,5 dB, returförlust över 25 dB och en isolering över 30 dB. Detta uppfyller WP 2.1.1, WP 2.1.2 och WP2.2.2 För att extrahera resistiviteten i grafen har en tillverkningsprocess utvecklats. Kisel användes som substrat för tillverkningen av vågledaren och mönstrades enligt vågledardesignen. Tillverkningsprocessen har optimerats enligt kravet på grafen för att fungera som en switch. Detta uppfyller WP 3.1.1, WP 3.1.2.
Vi fann att repeterbarheten av grafenöverföringsprocessen var utmanande. Optimeringen av grafenöverföringsprocessen orsakade oplanerade förseningar i projektet.
Vilken var den viktigaste grafen-/2D-materialsrelaterade insikten i projektet?
Grafens fälteffekt är väl etablerad i litteraturen med många mycket citerade artiklar som visar fälteffektenheter med stor variation i enhetsegenskaper [1]–[6]. Grafens fälteffekt har visat sig modulera arkresistansen [7]. Betecknande nog är Al2O3 ett lovande material för gittermatchning i grafen. Detta gör att anordningar med hög rörlighet kan tillverkas med Al2O3- substrat. Detta är viktigt för våra föreslagna enheter eftersom vågledaren kommer att vara gjord av aluminium. När aluminium oxiderar kommer det att finnas en naturlig oxid av Al2O3 som täcker hela vågledaren med en tjocklek av cirka 5 nm. För andra vågledarmaterial och om ytterligare isolering är nödvändig kan ytterligare isoleringsmaterial införas. Till exempel är Kapton ett alternativ som vi tittade på under projektet. Vidare har grafenfälteffekttransistorer, GFETS, rapporterat rörlighet som sträcker sig från 10 till mer än 20 000 cm2/Vs [8, sid. 2]. För kemisk ångavsatt (CVD) grafen har rörligheter rapporterats upp till 350 000 cm2/Vs. CVDgrafen är viktigt att nämna eftersom det för närvarande är mest lovande kommersiellt. Vidare har grafen rapporterat elektromobilitet vid låga temperaturer upp till 200 000 cm2/Vs [9]. Dessa stora variationer i elektromobilitet översätter till stora variationer i arkmotstånd beroende på hur enheterna är tillverkade.
Hur ser ni på framtiden för grafen inom ert tillämpningsområde – hur lång tid är det kvar till första produkten?
Simuleringsresultat visade att resistivitetsintervallet som grafenarket behöver justeras inom intervallet 0,5 Ohm/sq (ON) – 1 kOhm/sq (OFF). Således har det visat sig genom simuleringar att grafen, när den integreras i en vågledare över gap, kan användas för att göra vågledaren till en switch. Dessa resistivitetsvärden är möjliga för grafen; dock täcker de ett stort spann. För att förenkla funktionen av omkopplaren är det önskvärt att ha ett mindre avstämningsområde för resistiviteten hos grafen-arket. I simuleringarna har det visat sig att switchens prestanda påverkas av grafenets längd och form, grafenresistivitet och vågledarparametrarna för gapet behandlades som konstanta i denna studie. Arbetet som presenteras i denna rapport visar potentialen och genomförbarheten av en kompakt switch utan rörliga delar, baserad på kombinationen av grafen och gap-vågledarteknik. Framtida arbete involverar justering och optimering av designparametrarna för att uppnå den specificerade växlingsprestanda för ett lägre resistivitetsområde. Detta kan åstadkommas genom en kombination av noggrann grafenbearbetning, anskaffning av grafen med hög elektromobilitet och justering av kapacitansen i strukturen för att möjliggöra ett stort inställningsområde för grafen med måttliga spänningar. Dessutom bör en undersökning av grafen FET-enheter, där resistiviteten kan ställas in över ett stort område, utföras. Dessutom, för att få en fungerande switch, bör grafenöverföringsprocessen optimeras ordentligt. Expertis inom grafentillverkning och renrumstillverkning bör övervägas för ett framgångsrikt framtida projekt.
Finns det några partner eller expertis ni saknar för att gå vidare?
Expertis inom simulering av grafenstrukturen samt expertis inom grafentillverkning kan vara till nytta för ett nytt projekt.
Referenser
[1] M. C. Lemme, T. J. Echtermeyer, M. Baus, and H. Kurz, “A graphene field-effect device,” IEEE Electron Device Letters, vol. 28, no. 4, pp. 282–284, 2007.
[2] T. J. Echtermeyer, M. C. Lemme, J. Bolten, M. Baus, M. Ramsteiner, and H. Kurz, “Graphene field-effect devices,” The European Physical Journal Special Topics, vol. 148, no.1, pp. 19–26, 2007.
[3] I. Meric, M. Y. Han, A. F. Young, B. Ozyilmaz, P. Kim, and K. L. Shepard, “Current saturation in zero-bandgap, top-gated graphene field-effect transistors,” Nature nanotechnology, vol. 3, no. 11, p. 654, 2008.
[4] K. S. Novoselov, V. I. Fal, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, and K. Kim, “A roadmap for graphene,” nature, vol. 490, no. 7419, pp. 192–200, 2012.
[5] A. K. Geim, “Graphene: status and prospects,” science, vol. 324, no. 5934, pp. 1530–1534, 2009.
[6] F. Schwierz, “Graphene transistors,” Nature nanotechnology, vol. 5, no. 7, p. 487, 2010.
[7] S. De and J. N. Coleman, “Are there fundamental limitations on the sheet resistance and transmittance of thin graphene films?,” ACS nano, vol. 4, no. 5, pp. 2713–2720, 2010.
[8] V. E. Dorgan, M.-H. Bae, and E. Pop, “Mobility and saturation velocity in graphene on SiO 2,” Applied Physics Letters, vol. 97, no. 8, p. 082112, 2010.
[9] K. I. Bolotin et al., “Ultrahigh electron mobility in suspended graphene,” Solid state communications, vol. 146, no. 9–10, pp. 351–355, 2008.
Abstract in English Graphene-switchable Waveguides for High-frequency Applications
▪️ Results
A graphene patch was embedded into a gap-waveguide structure. In order to calculate the expected performance of the graphene ridge-gap waveguide switch, electromagnetic simulations in the software CST Microwave studios was performed. The switch design is based on Gapwaves AB's patented technology and covers the band 24 GHz – 31 GHz. The middle part of the waveguide has an electromagnetic bandgap (EBG) structure to block the wave from being transmitted, thereby allowing the waveguide switch to have an OFF state. On top of the EBG structure, an ohmic sheet representing graphene was placed and the waveguide properties for different resistivities of the ohmic sheet was computed. Furthermore, we have found that the values of the graphene resistivity of 0.5 Ohm/sq (ON) and 1 kOhm/Sq (OFF) are sufficient to meet the specifications of an insertion loss below 0.5 dB, return loss above 25 dB, and an isolation above 30 dB. To extract the resistivity of graphene, a fabrication process has been developed. Silicon chips were used as substrate for the fabrication and patterned according to the waveguide design. During the fabrication, it has been experienced that graphene transfer process required many processing steps and was difficult in terms of reproducibility. The findings from developing the fabrication process was that the process for transferring the graphene needs to be simplified to obtain a working waveguide switch and there is a need for improving the reproducibility of the process.
After fabrication of waveguide silicon-based chip prototypes, each chip was characterized to determine its suitability as a platform for demonstrating graphene behavior as a switch. Each silicon-based chip was characterized regarding short circuits between layers as well as ensuring that the gold pads (used for electrically connecting to the graphene) were correctly connected via graphene. We also investigated graphene transfer onto an Al-based waveguide structure. The Al2O3 layer has to provide proper electrical isolation between the Al structure and the Au pillars. Cross measuring of layers where there should be no contact, or very high ohmic, between the Al and Au layer was performed. Between the gold pillars through the graphene there should be good conducting capability. However, only three prototypes of many have checked out to be able to conduct a sheet resistance measurement during applied gate voltage, due to current leakage between the Au and Al layers trough the Al2O3. Even though setbacks regarding leakage and a prolonged time due to development of new chip manufacturing methods, back gating of graphene on silicon based 2D structure chip by applied electric field could successfully be demonstrated. After demonstration of back gating effect on 2D structure, a large effort was made to accomplish the same demonstration for a 3D waveguide structure.
The setup differs from the 2D structure. From bottom and up there is an Aluminum plate with milled quadratic columns, where the middle metal ridges are longer with same height but rectangular shape. On top of the Al plate kapton tape (polyimide) was applied to act as an insulation layer between the Al plate and the graphene that is transferred on top of the kapton tape. After graphene transfer kapton tape and the graphene is tailored by scalpell to only bridging the two metal ridges with a support column in the middle. A constant current was be applied over the graphene and the Al plate will yield an electric field thus changing the resistance of the graphene and make the graphene act as a switch so the waveguide can close the path for the wave. The transferred graphene on the kapton tape entailed new challenges involving both high resistances, between 2,7 kOhm –7 kOhm, and contacing issues. The combination of contacting issues and high resistance of graphene transferred on kapton made it, unfortunately, at the moment to be unable to demonstrate the back gating effect on a 3D structure.
▪️ Did you for fill the objectives and expectations on the project?
The aim of the project was to use the tunable conductive properties of graphene to induce a switching effect in waveguides for high frequency applications. The switch design is based on Gapwaves AB's patented technology and covers the band 24 GHz – 31 GHz. We have found that the values of the graphene resistivity of 0.5 Ohm/sq (ON) and 1 kOhm/Sq (OFF) are sufficient to meet the specifications of an insertion loss below 0.5 dB, return loss above 25 dB, and an isolation above 30 dB. This satisfies WP 2.1.1, WP 2.1.2, and WP2.2.2 To extract the resistivity of graphene fabrication process has been developed. Silicon was used for as substrate for the fabrication of the waveguide and patterned according to the waveguide design. The fabrication process has been optimized according to the requirement of graphene to be acting as a switch. This satisfies WP 3.1.1, WP 3.1.2. We found that the repeatability of the graphene transfer process was challenging. The optimization of the graphene transfer process caused unplanned delay in the project.
▪️ What was the most important graphene/2D-material related insight in the project?
Graphene’s field effect is well established in the literature with many highly cited papers demonstrating field effect devices with a large variation in device properties [1]–[6]. Graphene’s field effect has been shown to modulate the sheet resistance [7]. Significantly, Al2O3 is a promising material for lattice matching in graphene. This allows for high mobility devices to be fabricated using Al2O3 substrates. This is significant for our proposed devices as the waveguide will be made of aluminum. As aluminum oxidizes, there will be a native oxide of Al2O3 covering the entirely of the waveguide at a thickness of approximately 5 nm. For other waveguide materials and in case additional isolation is necessary, additional insulating materials can be introduced. For instance, Kapton is an option which we looked into during the project. Furthermore, graphene field effect transistors, GFETS, have reported mobilities ranging from 10 to more than 20,000 cm2/Vs [8, p. 2]. For chemical vapor deposited (CVD) graphene, mobilities have been reported up to 350,000 cm2/Vs. CVD graphene is important to mention as it presently has the most promising commercial viability. Further, graphene has reported low temperature mobilities up to 200,000 cm2/Vs [9]. These large variations in mobility translate to large variations in sheet resistance depending on how the devices are fabricated.
▪️ How do you see the future for graphene within your application area – how long time until the first product?
Simulation results showed that the resistivity range for the graphene sheet needs to be tuned within the span of 0.5 Ohm/sq (ON) – 1 kOhm/sq (OFF). Thus, it has been shown through simulations that graphene, when integrated into a ridge-gap waveguide, can be used to make the waveguide into a switch. These resistivity values are feasible for graphene; however, they cover a large span. To simplify the operation of the switch, it is desirable to have a smaller tuning range for the resistivity of the graphene patch. In the simulations, it has been shown that the switch performance is affected by the graphene length and shape, graphene resistivity, and the ridge-gap waveguide parameters which were treated as constant in this study. The work presented in this report shows the potential and feasibility of a compact switch without moving parts, based on the combination of graphene and ridge-gap waveguide technology. Future work involves tuning and optimizing the design parameters to achieve the specified switching performance for a lower resistivity span. This could be accomplished by a combination of careful graphene processing, procuring high-mobility graphene, and adjust the capacitance in the structure to enable large tuning range of graphene with moderate voltages. In addition, an investigation of graphene FET devices where resistivity can be tuned over a large range should be performed. Moreover, to obtain a working switch the graphene transfer process should be optimized properly. Expertise in graphene fabrication and cleanroom fabrication should be considered for a successful future project.
▪️ Are you lacking any partner or experts to move ahead?
Expertise in graphene structure simulation, and graphene fabrication could be beneficial for the project.
▪️ References
[1] M. C. Lemme, T. J. Echtermeyer, M. Baus, and H. Kurz, “A graphene field-effect device,” IEEE Electron Device Letters, vol. 28, no. 4, pp. 282–284, 2007.
[2] T. J. Echtermeyer, M. C. Lemme, J. Bolten, M. Baus, M. Ramsteiner, and H. Kurz, “Graphene field-effect devices,” The European Physical Journal Special Topics, vol. 148, no.1, pp. 19–26, 2007.
[3] I. Meric, M. Y. Han, A. F. Young, B. Ozyilmaz, P. Kim, and K. L. Shepard, “Current saturation in zero-bandgap, top-gated graphene field-effect transistors,” Nature nanotechnology, vol. 3, no. 11, p. 654, 2008.
[4] K. S. Novoselov, V. I. Fal, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, and K. Kim, “A roadmap for graphene,” nature, vol. 490, no. 7419, pp. 192–200, 2012.
[5] A. K. Geim, “Graphene: status and prospects,” science, vol. 324, no. 5934, pp. 1530–1534, 2009.
[6] F. Schwierz, “Graphene transistors,” Nature nanotechnology, vol. 5, no. 7, p. 487, 2010.
[7] S. De and J. N. Coleman, “Are there fundamental limitations on the sheet resistance and transmittance of thin graphene films?,” ACS nano, vol. 4, no. 5, pp. 2713–2720, 2010.
[8] V. E. Dorgan, M.-H. Bae, and E. Pop, “Mobility and saturation velocity in graphene on SiO 2,” Applied Physics Letters, vol. 97, no. 8, p. 082112, 2010.
[9] K. I. Bolotin et al., “Ultrahigh electron mobility in suspended graphene,” Solid state communications, vol. 146, no. 9–10, pp. 351–355, 2008.
