[논문 리뷰] Low-energy electron-irradiation effect on transport properties of graphene field effect transistor

Filippo Giubileo, Antonio Di Bartolomeo외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Graphene research and applications참고 문헌 42인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 10 keV 이하의 저에너지 전자 조사가 그래핀 필드효과 트랜지스터(GFET)에 미치는 영향을 조사하며, 30 e⁻/nm²의 낮은 전자 선량이라도 접촉 저항을 증가시키고 실리콘 이동도를 감소시켜 장치 성능을 크게 악화시킨다는 것을 입증한다. 이는 비록 성능 저하가 발생하지만 반복적인 전기적 측정을 통해 회복 가능하다는 점에서 일시적인 조사 영향을 나타낸다.

ABSTRACT

We study the effects of low-energy electron beam irradiation up to 10 keV on graphene based field effect transistors. We fabricate metallic bilayer electrodes to contact mono- and bi-layer graphene flakes on SiO$_2$, obtaining specific contact resistivity $ρ_c \simeq 19 kΩμm^2$ and carrier mobility as high as 4000 cm$^2$V$^{-1}$s$^{-1}$. By using a highly doped p-Si/SiO$_2$ substrate as back gate, we analyze the transport properties of the device and the dependence on the pressure and on the electron bombardment. We demonstrate that low energy irradiation is detrimental on the transistor current capability, resulting in an increase of the contact resistance and a reduction of the carrier mobility even at electron doses as low as 30 $e^-/nm^2$. We also show that the irradiated devices recover by returning to their pristine state after few repeated electrical measurements.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 전자 조사가 그래핀 필드효과 트랜지스터의 전기적 운반성질에 미치는 영향을 조사하기.
• 전자 조사가 장치 성능을 떨어뜨리기 시작하는 임계 선량을 규명하기.
• 반복적인 전기적 측정을 통해 조사 유도 변화의 복귀 가능성 평가하기.
• 조사 유도 변화와 접촉 저항성 및 실리콘 이동도 변화 간의 상관관계 분석하기.

제안 방법

• SiO₂ 기판 위에 단층 및 이중층 그래핀 플레이크를 사용하여 그래핀 필드효과 트랜지스터 제작.
• 낮은 접촉 저항성(ρc ≈ 19 kΩ·μm²)과 높은 실리콘 이동도(최대 4000 cm²V⁻¹s⁻¹) 달성.
• 기판 게이트로 고 doping된 p-Si/SiO₂ 기판을 사용하여 장치 전도도 조절.
• 다양한 선량과 압력에서 10 keV 이하의 저에너지 전자 빔을 적용하여 조사 영향 연구.
• 조사 이전, 중간, 이후의 운반성질을 체계적으로 측정하여 복귀 가능성 평가.
• 전자 선량 및 환경 압력에 따른 접촉 저항성 및 실리콘 이동도 변화 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 keV 이하의 저에너지 전자 조사가 그래핀 필드효과 트랜지스터의 접촉 저항성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 실리콘 이동도 및 전류 능력에 대해 측정 가능한 저하를 유도하기 위해 필요한 최소 전자 선량은 얼마인가?
• RQ3 그래프린 FET에서 조사 유도 저하가 영구적 손상인지 아니면 일시적인가?
• RQ4 조사 중의 대기압이 장치 저하 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 반복적인 전기적 측정이 조사된 그래핀 FET의 원래 운반성질을 복구할 수 있는가?

주요 결과

• 30 e⁻/nm²의 낮은 전자 선량에서도 저에너지 전자 조사가 접촉 저항성 증가와 실리콘 이동도 감소를 유발하여 측정 가능한 영향을 미친다.
• 장치 성능 저하는 복귀 가능하며, 반복적인 전기적 측정을 통해 원래 상태로 회복된다.
• 낮은 전자 선량에서도 실리콘 이동도가 크게 감소하여 그래핀의 운반성질이 전자 조사에 매우 민감함을 시사한다.
• 최적화된 장치에서는 ρc ≈ 19 kΩ·μm²의 낮은 접촉 저항성을 달성하지만, 이 값은 조사 시 증가한다.
• 저하 정도는 조사 압력에 영향을 받으며, 이는 환경 요소가 조사 영향에 기여함을 시사한다.
• 복귀 동역학은 조사 효과가 영구적 구조 손상이 아니라 일시적인 전하 포획 또는 결함 형성 때문일 가능성이 높음을 나타낸다.