[논문 리뷰] The Development of Epitaxial Graphene For 21st Century Electronics

Walt A. de Heer|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 07.

Graphene research and applications참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 조지아 공과대학교에서의 에pi택시얼 그래핀 개발을 21세기 전자공학의 실현 가능한 플랫폼으로 평가하며, 기본 연구에서 실용적 응용으로의 전환을 강조한다. 주요 기여는 고이동도 에피택시얼 그래핀의 구현으로, 전자적 성질을 조절 가능하게 하여 고속·저전력 전자 소자의 발전을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Graphene has been known for a long time but only recently has its potential for electronics been recognized. Its history is recalled starting from early graphene studies. A critical insight in June, 2001 brought to light that graphene could be used for electronics. This was followed by a series of proposals and measurements. The Georgia Institute of Technology (GIT) graphene electronics research project was first funded, by Intel in 2003, and later by the NSF in 2004 and the Keck foundation in 2008. The GIT group selected epitaxial graphene as the most viable route for graphene based electronics and their seminal paper on transport and structural measurements of epitaxial graphene was published in 2004. Subsequently, the field rapidly developed and multilayer graphene was discovered at GIT. This material consists of many graphene layers but it is not graphite: each layer has the electronic structure of graphene. Currently the field has developed to the point where epitaxial graphene based electronics may be realized in the not too distant future.

연구 동기 및 목표

• 고성능 전자 소자에 적합하고 확장 가능한 소재로 에피택시얼 그래핀을 정립하기 위해.
• 대면적, 고품질의 그래핀을 제어 가능한 전자적 성질을 갖도록 생산하는 데 도전하기 위해.
• 운반 및 구조적 측정을 통해 에피택시얼 그래핀의 실생활 전자 응용 가능성의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 고립된 그래핀 플레인에서부터 그래핀 유사 전자 행동을 보이는 통합 다층 에피택시얼 그래핀 구조로의 분야 발전을 위해.
• 기존 반도체 공정과의 통합 및 상용화 잠재력을 입증함으로써, 에피택시얼 그래핀을 후-CMOS 전자공학의 주요 후보로 위치지키기 위해.

제안 방법

• 고온에서의 열처리를 통해 실리카 카바이드 기반에서 에피택시얼 그래핀을 합성하여 단일 결정성 대면적 필름을 확보하였다.
• 운반 측정을 통해 에피택시얼 그래핀 필름 내 전자 이동도 및 캐리어 행동을 특성화하였다.
• 구조 분석을 통해 단일 결정성 및 층별 성장의 특성을 확인하였다.
• 다층 에피택시얼 그래핀을 합성하고 특성화하여 각 층이 고립된 그래핀의 전자 구조를 유지하고 있음을 밝혀냈다.
• 성장 조건을 제어하기 위해 분자빔 에피택시 및 열분해 기법을 조합하여 사용하였다.
• 인텔, NSF, 킵 기초재단의 자금 지원으로 에피택시얼 그래핀 플랫폼의 지속적 개발 및 검증이 가능해졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에피택시얼 그래핀은 고성능 전자 소자를 지원할 수 있을 정도로 충분한 품질과 균일성을 갖출 수 있는가?
• RQ2 에피택시얼 그래핀의 전자적 성질은 이완된 그래핀과 비교해 이동도 및 캐리어 행동 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 다층 에피택시얼 그래핀은 단일층 그래핀의 본질적 전자적 특성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 실리카 카바이드 기반에서 대면적 단일 결정성 에피택시얼 그래핀을 형성하는 데 핵심이 되는 성장 조건은 무엇인가?
• RQ5 에피택시얼 그래핀은 확장 가능하고 산업적으로 호환 가능한 전자 시스템에 통합될 잠재력이 있는가?

주요 결과

• 실리카 카바이드 기반에 합성된 에피택시얼 그래핀은 고이동도를 보이며 고속 전자공학의 잠재력을 확인하였다.
• 조지아 테크 그룹이 2004년에 발표한 선풍적인 논문은 에피택시얼 그래핀의 첫 번째 종합적인 운반 및 구조적 특성 분석을 제공하였다.
• 다층 에피택시얼 그래핀이 발견되었으며, 각 층은 스택되어 있음에도 불구하고 고립된 그래핀의 전자 구조를 유지하고 있었다.
• 2004년 결과 이후 분야는 급속도로 발전하였으며, 이는 인텔(2003), NSF(2004), 킵 기초재단(2008)의 후원으로 개발이 가속화되었다.
• 기존 반도체 제조 기술과의 호환성 덕분에 에피택시얼 그래핀은 21세기 전자공학의 주요 후보로 떠올랐다.
• 연구는 에피택시얼 그래핀이 그래프트와 동일하지 않음을 입증하였으며, 각 층이 고유한 그래핀 유사 전자 행동을 보임을 보였다.