[논문 리뷰] Transport Properties of Graphene Nanoribbon Transistors on Transport Properties of Graphene Nanoribbon Transistors on Chemical-Vapor-Deposition Grown Wafer-Scale Graphene

Wan Sik Hwang, Kristof Tahy외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 02.

Graphene research and applications참고 문헌 16인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 웨이퍼 스케일의 화학기수증기증착(CVD)으로 증착한 그래핀에서 그래핀 나노리본 필드효과트랜지스터(GNR FETs)를 제작하여 전자빔 리터그래피를 통해 약 0.1 eV의 금역을 확보하였다. 장치는 강한 온도 의존성의 드레인 전류 조절을 보이며, 300 K에서 약 10에서 4 K에서 거의 10⁶으로 증가하여 디지털 전자기기 응용에 필수적인 금역의 개방을 확인하였다.

ABSTRACT

Graphene nanoribbon (GNR) field-effect transistors (FETs) with widths down to 12 nm have been fabricated by electron beam lithography using a wafer-scale chemical vapor deposition (CVD) process to form the graphene. The GNR FETs show drain-current modulation of approximately 10 at 300 K, increasing to nearly 106 at 4 K. The strong temperature dependence of the minimum current indicates the opening of a bandgap for CVD-grown GNR-FETs. The extracted bandgap is estimated to be around 0.1 eV by differential conductance methods. This work highlights the development of CVD-grown large-area graphene and demonstrates the opening of a bandgap in nanoribbon transistors.

연구 동기 및 목표

• 화학기수증기증착(CVD)으로 증착한 그래핀을 사용하여 대량생산 가능하고 웨이퍼 호환성 있는 그래핀 나노리본 트랜지스터를 개발하기 위해.
• 디지털 전자기기 응용을 위한 잠재적 활용을 위해 너비가 12 nm에 이르는 GNR FET의 전송 특성을 조사하기 위해.
• 나노스케일 패터닝을 통해 CVD 증착 그래핀 나노리본에서 금역을 열 수 있는지 확인하기 위해.
• 전류 조절의 온도 의존성을 측정하여 금역 형성의 징후로 삼기 위해.

제안 방법

• 전자빔 리터그래피를 사용하여 웨이퍼 스케일의 CVD 증착 그래핀에서 너비가 12 nm에 이르는 그래핀 나노리본을 패터닝하였다.
• 채널 전도도를 전기적으로 제어할 수 있도록 상부 게이트 구조를 가진 필드효과트랜지스터(FET) 구조를 제작하였다.
• 전류 조절 및 금역 행동을 평가하기 위해 4 K에서 300 K까지의 온도 범위에서 전송 측정을 수행하였다.
• 전도도의 미분값(dI/dV) 측정을 통해 전송 특성에서 금역 에너지를 추출하였다.
• 웨이퍼 스케일의 CVD 그래핀을 사용함으로써 GNR FET의 스케일업 통합이 가능해졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자빔 리터그래피를 사용하여 웨이퍼 스케일의 CVD 증착 그래핀에서 그래핀 나노리본 트랜지스터를 성공적으로 제작할 수 있는가?
• RQ2 CVD 증착 GNR FET에서 열린 금역의 크기는 얼마이며, 전송 데이터에서 이를 어떻게 추출하는가?
• RQ3 GNR FET의 전류 조절은 온도에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 금역 형성에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 CVD 증착 GNR FET의 전송 특성은 디지털 논리 장치 응용에 실용적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 전자빔 리터그래피를 사용하여 웨이퍼 스케일의 CVD 증착 그래핀에서 너비가 12 nm에 이르는 GNR FET를 성공적으로 제작하였다.
• 장치는 300 K에서 약 10의 드레인 전류 조절을 보이며, 4 K에서 거의 10⁶으로 증가하여 강한 온도 의존성의 전송 특성을 나타내었다.
• 최소 전도도의 강한 온도 의존성은 CVD 증착 GNR에서 금역이 열렸음을 시사한다.
• 전도도의 미분 측정을 통해 금역을 약 0.1 eV로 추정하였다.
• 결과적으로 나노스케일 패터닝을 통한 CVD 증착 그래핀의 금역 조절이 트랜지스터 응용에 적합한 조절 가능한 금역을 유도할 수 있음을 확인하였다.