[論文レビュー] Transport Properties of Graphene Nanoribbon Transistors on Transport Properties of Graphene Nanoribbon Transistors on Chemical-Vapor-Deposition Grown Wafer-Scale Graphene

Wan Sik Hwang, Kristof Tahy+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2012

Graphene research and applications参考文献 16被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、ウェーハスケールの化学蒸着法（CVD）成長グラフェン上にグラフェンナノリボンフィールド効果トランジスタ（GNR FET）をフォーマリングし、電子ビームリソグラフィーを用いて約0.1 eVのバンドギャップを達成した。デバイスは強い温度依存性を示すドレイン電流変調を示し、300 Kで約10から4 Kでほぼ10⁶に増加し、デジタルエレクトロニクス用途に不可欠なバンドギャップの開口を確認した。

ABSTRACT

Graphene nanoribbon (GNR) field-effect transistors (FETs) with widths down to 12 nm have been fabricated by electron beam lithography using a wafer-scale chemical vapor deposition (CVD) process to form the graphene. The GNR FETs show drain-current modulation of approximately 10 at 300 K, increasing to nearly 106 at 4 K. The strong temperature dependence of the minimum current indicates the opening of a bandgap for CVD-grown GNR-FETs. The extracted bandgap is estimated to be around 0.1 eV by differential conductance methods. This work highlights the development of CVD-grown large-area graphene and demonstrates the opening of a bandgap in nanoribbon transistors.

研究の動機と目的

• 化学蒸着法（CVD）成長グラフェンを用いた大規模かつウェーハ適合性のあるグラフェンナノリボントランジスタの開発を目的とする。
• デジタルエレクトロニクスへの応用を想定し、幅12 nmまでのGNR FETの輸送特性を調査することを目的とする。
• ナノスケールのパターニングによって、CVD成長グラフェンナノリボンにバンドギャップを開放できるかどうかを特定することを目的とする。
• 電流変調の温度依存性を評価し、バンドギャップ形成の兆候とする。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーを用いて、ウェーハスケールのCVD成長グラフェン上に幅12 nmまでのグラフェンナノリボンをパターニングした。
• チャネルの電導度を電気的に制御できるトップゲート構造のフィールド効果トランジスタ（FET）構造をフォーマリングした。
• 電流変調およびバンドギャップ挙動を評価するために、4 Kから300 Kまでの温度範囲で輸送測定を実施した。
• 輸送特性からバンドギャップエネルギーを抽出するために、微分コンダクタンス（dI/dV）測定を採用した。
• ウェーハスケールのCVDグラフェンの使用により、GNR FETのスケーラブル統合が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子ビームリソグラフィーを用いて、ウェーハスケールのCVD成長グラフェン上にグラフェンナノリボントランジスタを効果的にフォーマリングできるか？
• RQ2 CVD成長GNR FETに開口されたバンドギャップの大きさは何か？ また、輸送データからどのようにしてその値を抽出できるか？
• RQ3 GNR FETの電流変調は温度にどのように依存するか？ これはバンドギャップ形成に何を示唆するか？
• RQ4 CVD成長GNR FETの輸送特性は、実用的なデジタル論理デバイス応用を支えるものか？

主な発見

• 電子ビームリソグラフィーを用いて、ウェーハスケールのCVD成長グラフェン上に幅12 nmまでのGNR FETを効果的にフォーマリングした。
• デバイスは300 Kで約10のドレイン電流変調を示し、4 Kではほぼ10⁶に増加し、強い温度依存性輸送を示した。
• 最小コンダクタンスの強い温度依存性は、CVD成長GNRにバンドギャップが開口していることを示唆している。
• 微分コンダクタンス測定を用いてバンドギャップを約0.1 eVと推定した。
• 結果から、CVD成長グラフェンのナノスケールパターニングが、トランジスタ応用に適した調整可能なバンドギャップを誘導できることを確認した。