[논문 리뷰] Room-temperature electric field effect and carrier-type inversion in graphene films

Kostya S. Novoselov, A. K. Geim외 4명|arXiv (Cornell University)|2004. 10. 25.

Graphene research and applications참고 문헌 11인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 기판 온도에서의 전기장 효과가 잘 드러나는 다층 그래핀 필름에서, 게이트 전압을 통해 전자와 정공 간의 반전 가능한 실현성을 입증한다. 고이동도, 연속적이고 매크로스코픽인 그래핀 필름은 1μm 이하 척도에서 비산란 운반자 운반을 보이며, 실온 조건에서 전자적 성질을 조절할 수 있는 잠재력이 있는 2차원 재료로서 그래핀의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

The ability to control electronic properties of a material by externally applied voltage is at the heart of modern electronics. In many cases, it is the so-called electric field effect that allows one to vary the carrier concentration in a semiconductor device and, consequently, change an electric current through it. As the semiconductor industry is nearing the limits of performance improvements for the current technologies dominated by silicon, there is a constant search for new, non-traditional materials whose properties can be controlled by electric field. Most notable examples of such materials developed recently are organic conductors [1], oxides near a superconducting or magnetic phase transition [2] and carbon nanotubes [3-5]. Here, we describe another system of this kind - thin monocrystalline films of graphite - which exhibits a pronounced electric field effect, such that carriers in the conductive channel can be turned into either electrons or holes. The films remain metallic, continuous and of high quality down to a few atomic layers in thickness. The demonstrated ease of preparing such films of nearly macroscopic sizes and of their processing by standard microfabrication techniques, combined with submicron-scale ballistic transport even at room temperature, offer a new two-dimensional system controllable by electric-field doping and provide a realistic promise of device applications.

연구 동기 및 목표

• 소수의 그래핀 필름에서 실온 조건에서 전기장 효과를 조사한다.
• 게이트 전압을 이용한 운반자 유형의 반전(전자-정공 전이) 가능성 탐색한다.
• 향후 나노전자소자 응용을 위한 그래핀 필름의 품질과 운반자 운반 특성 평가한다.
• 표준 마이크로패터닝 공정 기법을 통한 그래핀 필름의 가공성 및 스케일러빌리티 평가한다.
• 실온 조건에서 고성능 운반 특성을 갖는 필드효과 소자용 실현 가능한 2차원 플랫폼으로서 그래핀의 가능성을 확립한다.

제안 방법

• 기계적 전달을 통해 그래핀 필름을 SiO2/Si 기판에 이식하여 백게이트 필드효과 소자 구조를 형성한다.
• Si 기판을 통해 게이트 전압을 인가하여 그래핀 채널 내의 운반자 농도를 조절한다.
• 실온에서 전기적 운반 특성을 특성화하기 위해 전기적 운반 측정을 수행한다.
• 게이트 전압의 극성 조절을 통해 운반자 유형(전자 또는 정공)을 가역적으로 전환한다.
• 서브마이크론 스케일 소자에서 고이동도의 비산란 운반 특성을 관측하여 높은 재료 품질을 확인한다.
• 표준 필드효과 트랜지스터(FET) 기하구조를 사용하여 상부게이트 또는 백게이트 구성으로 시스템을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 그래핀 필름에 뚜렷한 전기장 효과를 관측할 수 있는가?
• RQ2 게이트 전압을 통해 그래핀에서 운반자 유형의 반전(음성에서 양성 또는 그 반대)이 가능한가?
• RQ3 실온에서 그래핀의 운반자 이동도와 운반 특성은 전통적 반도체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 표준 마이크로패터닝 공정 기법을 통해 그래핀 필름을 가공할 경우, 높은 전자적 품질을 유지할 수 있는가?
• RQ5 그래핀 기반 필드효과 소자의 스케일러빌리티와 매크로스코픽 실현 가능성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 실온에서 그래핀 필름에 강력한 전기장 효과가 관측되었으며, 게이트 전압에 의해 전도도가 명확히 조절됨을 확인하였다.
• 게이트 전압의 극성 조절을 통해 전자와 정공 간의 운반자 유형을 가역적으로 전환함으로써 双운반자 운반 특성을 확인하였다.
• 그래핀 필름은 몇 개의 원자층에 이르기까지 고이동도와 연속적인 금속성 거동를 보였다.
• 서브마이크론 스케일 소자에서 실온에서 비산란 운반 특성이 관측되어 높은 재료 품질과 낮은 산란을 시사하였다.
• 필름은 매크로스코픽 크기를 가지며 표준 마이크로패터닝 공정에 적합하여 실용적 장치 통합이 가능하였다.
• 결과적으로 그래핀이 실온 조건에서 전자적 성질을 조절할 수 있는 잠재력이 있는 실현 가능한 2차원 소자 플랫폼임을 입증하였다.