Design and assessment of 2D material-based radiofrequency circuits

Abstract

In the rapidly evolving landscape of modern technology, the unprecedented expansion of connectivity and communication demands innovative solutions. The advanced requirements of 5G and future wireless communication systems, along with the proliferation of Internet of Things (IoT) devices, are increasingly constrained by the physical limitations of conventional electronic technologies. Consequently, the exploration of novel emerging materials has become a crucial focus of research over the past two decades, driving the development of next-generation high-frequency (HF) electronics. Within this search, graphene, a two-dimensional material with great mechanical and electrical properties, has revolutionized the electronic research world since its isolation for the first time in 2004. Thanks to its high carrier mobility and saturation velocity, it has been proofed to be a great candidate for the development of HF circuits, able to provide high cutoff and maximum oscillation frequencies, two figures of merit that evaluate the HF performance of a transistor. In this context, this Thesis presents the design and assessment of two-dimensional (2D) material-based radiofrequency (RF) circuits. The goal of the Thesis consists in demonstrating different RF building-block circuits that profit and exploit the unique properties of graphene for HF electronics, making use of two graphene-based electronic devices: the graphene field-effect transistor (GFET), and the metal-insulator-graphene (MIG) diode. More specifically, this Thesis demonstrates the analysis, design, and validation of phase shifters, power gain amplifiers, frequency multipliers and oscillators. For the phase shifter designs, one of the special properties of graphene, the so-called graphene’s quantum capacitance tunability, is used, allowing to change the capacitance of the device, either in a GFET or a MIG diode, with respect to the applied voltage. For the design, two different topologies are proposed: in the case of the GFET, a commonsource amplifier topology is adopted, where 3D maps of the transmission S parameter with respect to drain to source and gate to source potentials are represented, showing the ability to produce a phase shift on the input signal while keeping its amplitude constant, and even providing gain. In the case of the MIG diode, a periodic structure topology is proposed: a novel analysis of this type of structures is first shown, exposing how the response of the structure can be controlled with the aim of maximizing the phase shift, while keeping a minimum insertion loss (IL). The topology can also be partially used in different circuit topologies like filters. With respect to the power gain amplifier design, the objective is to demonstrate the ability of GFETs to provide power gain at high frequencies even when their voltage gain is lower than unity, due to the lack of a clear saturation region. For that matter, the gain expressions used in the high frequency design procedures, such as the maximum available gain and the maximum stable gain, have been thoroughly analyzed, and it has been shown that the dependence of the power gain on the output conductance is not as strong as it is commonly considered. GFET-based power gain amplifier designs providing HF power gain with the devices working at different high and low values of the output conductance are demonstrated. Graphene’s ambipolarity is also leveraged for a frequency multiplier design. First, it is shown that it is possible to attain a frequency doubler by applying an input signal at the gate of the GFET, if properly biased at the Dirac point, due to its V-shaped transfer curve. Furthermore, the Dirac point shift is unveiled to depend on the drain plus the source voltage, which displaces the minimum conduction point of the transfer curve. This effect is exploited by series connecting two GFETs with a resistor in the middle, which thus produces a different Dirac point on each transistor, producing a W-shaped transfer curve in the circuit, which enables frequency tripling and quadrupling. Finally, the design of a negative-resistance oscillator is demonstrated. This design, addressed during a research stay at Chalmers University of Technology, demonstrates the ability of GFETs to provide enough instability so to design an oscillator, which is an indispensable block in any wireless transmitter or receiver. The circuit is designed in the X-band, at 10 GHz, and includes a feedback inductor so as to increase the instability of the transistor, a purely reactive terminating impedance, in order to minimize power consumption, and a matching network which also serves as a low pass filter in order to reduce higher order harmonics. In addition to the design work, both devices used for the designs have been fabricated and characterized as part of the development of the Thesis. In particular, GFETs were fabricated through a research collaboration as part of an European project, the 2D Experimental Pilot Line (2DEPL), and then characterized at the facilities of the Pervasive Electronics Advanced Research Laboratory (PEARL), and for the MIG diode, the fabrication was self-made during a research stay at the non-profit research company AMO GmbH in Aachen, Germany. Devices theoretical description, fabrication process and characterization is addressed. In conclusion, this Thesis shows the possibility of designing RF circuits with graphenebased devices, namely GFETs, and MIG diodes, paving the way towards the realization of complete RF systems in this technology.

En el panorama en rápida evolución de la tecnología moderna, la expansión sin precedentes de la conectividad y la comunicación exige soluciones innovadoras. Los avanzados requisitos de las redes 5G y de los sistemas de comunicación inalámbrica futuros, junto con la proliferación de dispositivos del Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés), están cada vez más limitados por las restricciones físicas de las tecnologías electrónicas convencionales. En consecuencia, la exploración de nuevos materiales emergentes se ha convertido en un punto crucial de investigación durante las últimas dos décadas, impulsando el desarrollo de la próxima generación de electrónica de alta frecuencia (HF, por sus siglas en inglés). Dentro de esta búsqueda, el grafeno, un material bidimensional con excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, ha revolucionado el mundo de la investigación electrónica desde su aislamiento por primera vez en 2004. Gracias a su alta movilidad de portadores y velocidad de saturación, se ha demostrado que es un excelente candidato para el desarrollo de circuitos de HF, capaces de proporcionar altas frecuencias de corte y de oscilación máxima, dos figuras de mérito que evalúan el rendimiento en alta frecuencia de un transistor. En este contexto, esta Tesis presenta el diseño y evaluación de circuitos de radiofrecuencia (RF) basados en materiales bidimensionales (2D). El objetivo de la Tesis consiste en demostrar diferentes circuitos fundamentales de RF que aprovechen y exploten las propiedades únicas del grafeno para la electrónica de alta frecuencia, utilizando dos dispositivos electrónicos basados en grafeno: el transistor de efecto de campo de grafeno (GFET, por sus siglas en inglés) y el diodo metal-aislante-grafeno (MIG, por sus siglas en inglés). Más específicamente, se demuestra el análisis, diseño y validación de desfasadores, amplificadores de ganancia de potencia, multiplicadores de frecuencia y osciladores. Para el diseño de los desfasadores, se utiliza una de las propiedades del grafeno, la llamada sintonización de la capacidad cuántica del grafeno, que permite la modificación de la capacidad del dispositivo, ya sea en un GFET o en un diodo MIG, en función del voltaje aplicado. Para el diseño, se proponen dos topologías diferentes: en el caso del GFET, se adopta una topología de amplificador de fuente común, donde se representan mapas 3D del parámetro S con respecto a los potenciales de drenador a fuente y de puerta a fuente, mostrando la posibilidad de producir un cambio de fase en la señal de entrada mientras se mantiene constante su amplitud e incluso proporcionando ganancia. En el caso del diodo MIG, se propone una topología de estructura periódica: primero se muestra un novedoso análisis de este tipo de estructuras, exponiendo cómo se puede controlar la respuesta de la estructura con el objetivo de maximizar el cambio de fase, manteniendo una mínima pérdida de inserción (IL). La topología planteada también puede ser utilizada en diferentes tipos de circuitos, como por ejemplo en el diseño de filtros. Con respecto al diseño del amplificador, el objetivo es demostrar la capacidad de los GFETs para proporcionar ganancia de potencia a altas frecuencias, incluso cuando, debido a la falta de una región de saturación, su ganancia de voltaje es inferior a la unidad. Para ello, se han analizado en detalle las expresiones de ganancia utilizadas en los procedimientos de diseño de alta frecuencia, como la ganancia máxima disponible y la ganancia máxima estable, y se ha demostrado que su dependencia con respecto a la conductancia de salida no es tan fuerte como se considera comúnmente. Así, se demuestran diseños de amplificadores basados en GFETs que proporcionan ganancia de potencia a alta frecuencia para valores distintos, altos y bajos, de la conductancia de salida. La ambipolaridad del grafeno también se aprovecha para el diseño de un multiplicador de frecuencia. En primer lugar, se demuestra que es posible implementar un doblador de frecuencia aplicando una señal de entrada en la puerta del GFET, si se polariza adecuadamente en el punto de Dirac, debido a su curva de transferencia en forma de V. Además, se muestra que el desplazamiento del punto de Dirac depende de la suma del voltaje de drenador y de fuente, lo que desplaza el punto de mínima conducción de la curva de transferencia. Este efecto se explota conectando en serie una resistencia entre dos GFETs, lo que produce un punto de Dirac diferente en cada transistor, dando lugar a una curva de transferencia en forma de W en el circuito. Polarizando adecuadamente, esto permite triplicar y cuadruplicar la frecuencia de entrada. Finalmente, se demuestra un oscilador de resistencia negativa. Este diseño, abordado durante una estancia de investigación en la Universidad Tecnológica de Chalmers, demuestra la capacidad de los GFETs para proporcionar suficiente inestabilidad para diseñar un oscilador, un bloque indispensable en cualquier transmisor o receptor inalámbrico. El circuito se diseña en la banda X, a 10 GHz, e incluye una bobina de realimentación para aumentar la inestabilidad del transistor, una impedancia terminal puramente reactiva, para minimizar el consumo de potencia, y una red de adaptación que también actúa como un filtro paso bajo para reducir los armónicos de orden superior. Además del trabajo de diseño, ambos dispositivos utilizados para los diseños han sido fabricados y caracterizados como parte del desarrollo de la Tesis. En particular, los GFETs se fabricaron a través de una colaboración de investigación como parte de un proyecto europeo, la 2D Experimental Pilot Line (2DEPL), y luego se caracterizaron en las instalaciones del Laboratorio de Investigación Avanzada en Electrónica Pervasiva (PEARL, por sus siglas en inglés), y para el diodo MIG, la fabricación se realizó de manera autónoma durante una estancia de investigación en la empresa de investigación sin ánimo de lucro AMO GmbH en Aquisgrán, Alemania. Se aborda la descripción teórica de los dispositivos, el proceso de fabricación y su caracterización. En conclusión, esta Tesis muestra la posibilidad de diseñar circuitos de RF con dispositivos basados en grafeno, a saber, GFETs y diodos MIG, allanando el camino hacia la realización de sistemas RF completos en esta tecnología.