[논문 리뷰] Influence of Interface Traps and Electron-Hole Puddles on Quantum Capacitance and Conductivity in Graphene Field-Effect Transistors

Gennady I. Zebrev, Evgeny V. Melnik외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 23.

Graphene research and applications참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 이론적 연구는 인터페이스 트랩과 전자-홀 풀이 그래핀 필드효과트랜지스터에서 양자용량과 전도도에 미치는 영향을 조사한다. 자가일관된 전기적 장과 인터페이스 트랩 용량을 분석 모델에 통합함으로써, 저자들은 게이트 전압에 대한 전하 밀도와 양자용량에 대한 명시적 표현을 유도하여 트랩 매개변수 추출과 다양한 샘플 간의 유니버설 양자용량 데이터의 모순을 해소할 수 있게 한다.

ABSTRACT

We study theoretically an influence of the near-interfacial insulator traps and electron-hole puddles on the small-signal capacitance and conductance characteristics of the gated graphene structures. Based on the self-consistent electrostatic consideration and taking into account the interface trap capacitance the explicit analytic expressions for charge carrier density and the quantum capacitance as functions of the gate voltage were obtained. This allows to extract the interface trap capacitance and density of interface states from the gate capacitance measurements. It has shown that self-consistent account of the interface trap capacitance enables to reconcile discrepancies in universal quantum capacitance vs the Fermi energy extracted for different samples. The electron-hole puddles and the interface traps impact on transfer I-V characteristics and conductivity has been investigated. It has been shown that variety of widths of resistivity peaks in various samples could be explained by different interface trap capacitance values.

연구 동기 및 목표

• 게이트된 그래핀 구조에서의 소신호 용량과 도전도에 영향을 미치는 근접 인터페이스 절연체 트랩과 전자-홀 풀의 영향을 이해하기 위해.
• 다양한 그래핀 샘플 간에 보고된 유니버설 양자용량 대 페르미 에너지 곡선 간의 모순을 해결하기 위해.
• 게이트 용량 측정에서 물리적 매개변수를 추출할 때 인터페이스 트랩 용량을 고려하는 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 그래핀 FET 샘플 간에 관측된 저항도 피크 폭의 변동성을 설명하기 위해.
• 인터페이스 트랩과 풀이 전이 I-V 특성과 도전도에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 게이트된 그래핀 구조의 전위 분포를 기술하기 위해 자가일관된 전기적 장 모델을 사용한다.
• 인터페이스 트랩의 용량을 전하 균형 방정식에 명시적으로 통합한다.
• 게이트 전압에 대한 전하 운반자 밀도와 양자용량의 해석적 표현을 유도한다.
• 모델을 사용하여 시뮬레이션 또는 실험적 용량-전압 데이터에서 인터페이스 트랩 용량과 인터페이스 상태 밀도를 추출한다.
• 전자-홀 풀이 도전도와 저항도 피크의 형태에 미치는 영향을 분석한다.
• 이론적 예측을 실험 관측 결과와 비교하여, 모델이 양자용량 측정에서의 모순을 어떻게 해소할 수 있는지 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인터페이스 트랩은 그래핀 필드효과트랜지스터에서 양자용량과 전하 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 인터페이스 트랩 용량은 다양한 그래핀 샘플 간에 보고된 유니버설 양자용량 곡선 간의 모순을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ3 전자-홀 풀과 인터페이스 트랩이 함께 전이 I-V 특성과 도전도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 다양한 그래핀 샘플이 운반 측정에서 서로 다른 저항도 피크 폭을 나타내는가?
• RQ5 제안된 모델을 사용하여 게이트 용량 측정에서 인터페이스 트랩 용량을 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 자기일관 모델에 인터페이스 트랩 용량을 포함시킴으로써, 다양한 그래핀 샘플 간에 오랫동안 지속된 유니버설 양자용량 대 페르미 에너지 데이터의 모순이 해결된다.
• 게이트 전압에 대한 전하 운반자 밀도와 양자용량에 대한 명시적 해석적 표현이 도출되었으며, 이는 용량 측정에서 직접 매개변수 추출을 가능하게 한다.
• 모델은 다양한 샘플 간의 저항도 피크 폭의 변동성을 서로 다른 인터페이스 트랩 용량 값의 함수로 성공적으로 설명한다.
• 인터페이스 트랩은 효과적인 용량과 도전도를 크게 변화시켜 I-V 및 도전도 특성에 측정 가능한 왜곡을 유도한다.
• 전자-홀 풀과 인터페이스 트랩은 함께 운반 거동에 영향을 미치며, 이들의 병합 효과가 실험 데이터의 비이상적인 특성을 설명한다.
• 본 연구는 제안된 이론적 프레임워크를 사용하여 인터페이스 트랩 밀도와 용량을 게이트 용량 측정에서 정량적으로 추출할 수 있음을 보여준다.