[论文解读] 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 Tahy+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2012

Graphene research and applications参考文献 16被引用 47

一句话总结

本研究展示了在晶圆级化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯上制备石墨烯纳米带场效应晶体管（GNR FETs），通过电子束光刻实现了约0.1 eV的带隙。器件表现出强烈的温度依赖性漏极电流调制，从300 K时的约10增加到4 K时的近10⁶，证实了对数字电子器件应用至关重要的带隙打开。

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.

研究动机与目标

• 利用化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯开发大规模、晶圆兼容的石墨烯纳米带晶体管。
• 研究宽度低至12 nm的GNR FET的输运特性，以评估其在数字电子学中的潜在应用。
• 确定是否可通过纳米尺度图案化在CVD生长的石墨烯纳米带上打开带隙。
• 评估电流调制的温度依赖性，作为带隙形成的特征指标。

提出的方法

• 采用电子束光刻在晶圆级CVD生长的石墨烯上图案化出宽度低至12 nm的石墨烯纳米带。
• 采用顶栅结构制备场效应晶体管（FET）器件，以实现对沟道电导的电控。
• 在4 K至300 K的温度范围内进行输运测量，以评估电流调制和带隙行为。
• 采用微分电导（dI/dV）测量从输运特性中提取带隙能量。
• 利用晶圆级CVD石墨烯实现了GNR FET的可扩展集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用电子束光刻在晶圆级CVD生长的石墨烯上成功制备石墨烯纳米带晶体管？
• RQ2 在CVD生长的GNR FET中打开的带隙大小是多少，如何从输运数据中提取该值？
• RQ3 GNR FET中的电流调制如何随温度变化，这表明了什么关于带隙形成的信息？
• RQ4 CVD生长的GNR FET的输运特性能否支持其在数字逻辑器件中的实际应用？

主要发现

• 成功使用电子束光刻在晶圆级CVD生长的石墨烯上制备出宽度低至12 nm的GNR FET。
• 器件在300 K时表现出约10的漏极电流调制，升至4 K时接近10⁶，表明具有强烈的温度依赖性输运行为。
• 最小电导的强烈温度依赖性表明CVD生长的GNR中打开了带隙。
• 通过微分电导测量估计带隙约为0.1 eV。
• 结果证实，对CVD生长石墨烯进行纳米尺度图案化可诱导出可调带隙，适用于晶体管应用。