그래핀 기반 전계 효과 트랜지스터의 Scanning Gate Microscopy 측정을 통한 국소 전기적 특성 연구
Scanning Gate Microscopy on Field Effect Transistors Based on Graphene
- 주제(키워드) Scanning Gate Microscopy , AFM , Graphene , Field Effect Transistor
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박지용
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034600
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
그래핀(Graphene)은 단원자층으로 이루어진 최초의 2차원 결정 물질의 탄소 동소체로, 철보다 높은 강도와 뛰어난 전기적 특성 및 열 전도성, 유연성을 지녔다. 이와 같은 우수한 물성을 바탕으로 투명전극, 초고속 트랜지스터, 센서 등 다양한 전자소자 응용에 적합한 물질로써 잠재력을 갖고 대면적 합성과 다양한 응용 기술 연구가 활발하게 이루어지고 있다. SGM(Scanning Gate Microscopy)은 AFM(Atomic Force Microscopy)의 전기적 특성을 측정하는 응용모드 중 하나로, AFM tip에 전압을 인가하여 SGM을 측정하면 트랜지스터의 이동식 Top-gate와 동일한 효과를 얻을 수 있다. SGM은 전기장과 전하와 같은 국소 전기적 특성을 감지하는데 적합한 기술이다. 따라서 표면의 전기 전도성을 측정하고 맵핑하여 트랜지스터 채널의 국소 전기적 특성을 확인할 수 있다. 직접적으로 트랜지스터의 전기적 특성을 확인할 수 있기 때문에 향후 전자소자 산업에서 계측방식으로 적용할 수 있는 가능성을 지닌다. 본 연구에서는 단일층 그래핀 합성과, 합성한 그래핀을 바탕으로 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제작하고, AFM 장비에 트랜지스터에 드레인 전압을 가하고 드레인 전류를 측정할 수 있는 추가적인 시스템을 설치하였다. SGM으로 그래핀 채널의 국소 전기적 특성을 측정하고 라만 신호를 맵핑하여 그래핀의 결함 및 격자구조를 확인 후, 대조하여 상관관계를 연구하였다. 그래핀의 격자구조가 불안정한 영역 근처에서 국소 전기적 특성 변화가 나타나는 것을 확인했다. 추가적으로 플라즈마 처리에 따라 변화하는 그래핀 채널의 국소 전기적 특성과 물성을 확인하였다. Plasma cleaner 장비를 기반으로 펄스 모드의 산소 플라즈마 처리를 진행한 뒤, 변화하는 그래핀의 특성을 확인하였다. 물성은 AFM을 사용하여 표면 특성 및 단차 변화를, 라만 분광기를 사용하여 광학적 특성 및 격자구조의 변화를 확인하였다. 전류-전압 특성을 이용하여 전기적 특성 변화 및 doping 여부를, SGM을 사용하여 국소 전기적 특성의 변화를 파악했다. 펄스 모드의 산소 플라즈마 처리 하에서 그래핀에 지역적 결함이 형성되는 것을 확인하였다. 이에 따라 결함 영역에서 국소 전기적 특성 변화가 함께 발생하는 현상을 확인하였다. 그래핀의 합성과 플라즈마 처리에 따른 그래핀의 물성 변화와 전기적 특성 간의 관계를 조사한 본 연구는 단일층 그래핀 합성조건 연구 및 그래핀 기반 전자소자 제작 연구에 기반이 될 수 있고, 결함 생성에 따라 변화하는 그래핀의 물성 이해를 통해 향후 계측 사업에 응용될 수 있다.
more목차
제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 기초 이론 5
2.1. 그래핀의 구조 5
2.2. 그래핀의 특성 6
2.3. 그래핀의 합성 방법 9
2.3.1. 기계적 박리법 9
2.3.2. 화학적 박리법 10
2.3.3. 에피택셜(Epitaxial) 합성법 11
2.3.4. 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition) 12
2.4. 원자 힘 현미경 (Atomic Force Microscopy) 14
2.4.1. 원자 힘 현미경의 구조와 측정 원리 14
2.4.2. 비접촉 모드 AFM (Non-contact mode AFM) 16
2.4.3. EFM mode 18
2.4.4. SGM mode, tm-SGM mode 20
2.5. 플라즈마 (Plasma) 21
2.6. 라만 분광법 23
제 3 장. 실험 방법 26
3.1. 그래핀의 합성 26
3.2. 그래핀의 전사 28
3.3. 그래핀 트랜지스터 소자 제작 31
3.4. SGM 측정 시스템 셋업 38
제 4 장. 실험 결과 및 분석 41
4.1. 그래핀 기반 전계효과 트랜지스터 제작 조건 개선 41
4.1.1. 그래핀 기반 전계효과 트랜지스터 제작 조건 개선 배경 및 측정 방법 41
4.1.2. 플라즈마 클리닝 42
4.1.3. 전극 금속 변경 45
4.2. tm-SGM 을 통한 해상도 개선 48
4.3. 드레인 전압에 따른 tm-SGM 신호 비교 52
4.4. 그래핀의 국소 물성과 전기적 특성 대조 53
4.5. 플라즈마 처리에 따른 그래핀의 국소 물성 및 전기적 특성 변화 58
제 5 장. 결 론 71
참 고 문 헌 73
