[논문 리뷰] A breakthrough toward wafer-size epitaxial graphene transfer

Ayako Hashimoto, Hiromitsu Terasaki외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 26.

Graphene research and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SiC 기판 상에서 에pitaxial 그래핀을 얻기 위해 전자빔 증착을 통해 도핑된 툦륨(Ti) 캡핑층을 사용하여 웨이퍼 스케일의 에pitaxial 그래핀을 새로운 기판으로 이식하는 혁신적인 전이 기법을 제시한다. 라만 스펙트로스코피 및 저에너지 전자 현미경을 통해 고질적 단층 및 이중층 그래핀의 성공적인 전이가 확인되었으며, 이는 CMOS를 초월한 스케일러블 그래핀 전자공학을 위한 중요한 단계로 평가된다.

ABSTRACT

The formation of graphene on any desirable substrate is extremely essential for the successful replacement of Si with graphene in all technological applications in the beyond-CMOS era. Recently, we observed that a Ti layer formed on epitaxial graphene by electron-beam evaporation has the sufficiently large area of contact with the surface of epitaxial graphene for the exfoliation process to take place. We also observed that the exfoliated FLG on the Ti layer can be easily transferred onto a SiO2/Si substrate. In this paper, we have proposed a new technique for transferring graphene having a large area of several square mm from the graphitized vicinal SiC substrate. Raman scattering spectroscopy and low-energy electron microscopy analysis have revealed that we can transfer mono-layer and bi-layer graphene onto the SiO2/Si substrate by using the proposed transfer process. The initial size of epitaxial graphene formed on the SiC substrate is the only limitation of the new transfer process. The transfer process is expected to become an extremely important technology that will mark the beginning of a new era in the field of graphene electronics.

연구 동기 및 목표

• 장치 통합을 위해 SiC 기판에서 임의의 기판으로 대면적 에pitaxial 그래핀을 전이할 수 있는 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 그래핀의 구조나 전자적 성질을 손상시키지 않고 전이하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 신뢰성 있고 대면적 전이를 가능하게 하여 에pitaxial 그래핀을 실용적 전자 소자에 활용할 수 있도록 하기 위해.
• Ti 인터페이스층을 사용하여 최소한의 결함을 가진 전이가 가능한지 입증하기 위해.

제안 방법

• 비잔 4H-SiC 기판 상에 에pitaxial 그래핀을 형성한 후, 전자빔 증착을 통해 툟륨(Ti) 층을 도핑한다.
• Ti 층이 그래핀 표면과 강한 인터페이스 접합을 형성하여 그래핀-Ti 스택을 SiC 기판에서 기계적 탈착할 수 있도록 한다.
• 탈착된 그래핀-Ti 스택을 폴리머 보조 전이 공정을 통해 SiO2/Si 기판으로 이식한다.
• 다음으로 습식 에칭을 통해 Ti 층을 제거하여 목표 SiO2/Si 기판 상에 자유상태의 그래핀을 남긴다.
• 라만 스펙트로스코피 및 저에너지 전자 현미경을 사용하여 전이된 그래핀의 층 수와 구조적 품질을 특성화한다.
• 이 과정은 초기 SiC 상의 에pitaxial 그래핀 크기로 제한되는 대신 확장 가능한 방법이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ti 캡핑층이 SiC 기판에서 대면적, 손상 없는 탈착 및 전이를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 SiO2/Si 기판으로 전이된 후 단층 및 이중층 그래핀의 품질은 어떠한가?
• RQ3 웨이퍼 수준의 치수로 전이 과정을 확장할 수 있으며 그래핀의 전자적 성질을 유지할 수 있는가?
• RQ4 Ti와 그래핀 사이의 인터페이스 점착력은 탈착 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 인터페이스 접합 덕분에 Ti 캡핑층이 SiC 기판에서 에pitaxial 그래핀의 효과적인 탈착을 가능하게 했다.
• 단층 및 이중층 그래핀이 SiO2/Si 기판으로 고구조적 통합성을 유지한 채 성공적으로 전이되었다.
• 라만 스펙트로스코피를 통해 전이 후 단층 및 소수층 그래핀이 최소한의 결함을 가짐을 확인했다.
• 저에너지 전자 현미경을 통해 전이된 그래핀 층의 균일성과 단결정성을 검증했다.
• 전이 과정은 확장 가능하며, 초기 SiC 상의 에pitaxial 그래핀 크기로 제한된다.
• 이 방법은 에pitaxial 그래핀의 웨이퍼 스케일 통합을 위한 전자공학 분야에서 중요한 발전을 나타낸다.