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플라즈마 처리를 통한 Graphene Field Effect Transistor의 특성 제어 연구

Control of Graphene Field Effect Transistors characteristic via Plasma Treatment

  • 김민상 (김민상(KIM MIN SANG), 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

그래핀은 우수한 전자 이동도와 기계적 유연성, 투명성 등 뛰어난 물성을 지녀 차세대 전자 소자의 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 그래핀 전계효과 트랜지스터(GFET)는 고속 소자로의 잠재력이 크지만, 밴드갭의 부재로 인한 낮은 on-off ratio와 공정 과정에서 발생하는 오염 및 결함으로 인해 전기적 특성이 저하되는 한계가 존재한다. 금속 전극과 그래핀 간의 접촉 저항 문제와 채널 표면의 결함 및 잔여물은 소자의 성능을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지목되어 왔다. 이에 본 연구는 소자 제작 공정 변수(전극 금속, contact 방식 등)가 GFET의 전기적 특성에 미치는 영향을 분석하고, 그래핀 채널의 도핑 농도 및 결함을 정밀하게 제어하는 것을 목적으로 하였다. GFET의 전기적 특성은 전극 금속의 종류와 접촉 방식, 그리고 공정 잔여물의 유무에 따라 유의미한 차이를 보였다. 전극 금속과 접촉 방식에 따른 특성 변화를 분석한 결과, 기존에 접착층으로 사용되던 Cr을 배제하고 Au나 Pd을 단독으로 사용할 때 접촉 저항이 감소하여 소자의 이동도가 향상됨을 확인하였고, 전극 금속에 따른 소자의 전기적 특성 변화를 확인하였다. 또한 bottom-contact 구조에서 발생하는 전자-양공 이동도 비대칭 현상의 원인을 규명하였다. 분석 결과, 포토리소그래피 공정 중 사용되는 LOR3A 포토레지스트의 잔여물이 그래핀 표면에 남아 압축 변형과 p-도핑을 유발하는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 펄스 방식의 산소 플라즈마 처리 공정을 도입하여, 최적화된 조건(7~10초)으로 산소 플라즈마 처리를 수행한 결과, 그래핀의 격자 손상을 최소화하면서 잔여물을 효과적으로 제거할 수 있었으며, 이를 통해 전자-양공 이동도 비율(μh/μe)이 1.5에서 1.0으로 개선되었다. 이에 따라 비대칭적인 V-모양의 GFET 전달곡선이 대칭적으로 변했다. 추가로 그래핀 채널의 도핑 제어 기술을 확립하였다. AuCl3 도포는 강한 p-도핑 효과를 보였으나 열처리에 의해 가역적으로 제거되는 특성을 보였다. 반면, 산소 플라즈마 처리는 그래핀에 결함과 산소 작용기를 형성하여 비가역적인 p-도핑을 유도하였으나 플라즈마 처리를 통한 도핑은 채널에 결함을 만드릭 때문에 소자의 전도성이 떨어졌다. 이에 더해 포토리소그래피를 이용해 채널의 특정 영역에만 플라즈마 처리를 수행한 결과, 처리된 영역과 처리되지 않은 영역 간의 에너지 준위 차이를 만들어 낼 수 있음을 확인하였고, 이를 이용하여 디락 점과 전달 곡선 형태를 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 확인하였다. 본 연구는 플라즈마 공정을 통해 GFET 제작 과정에서 필연적으로 발생하는 잔여물 문제를 해결하고, 소자의 전기적 특성을 최적화할 수 있는 구체적인 공정 조건을 제시하였다는 데 의의가 있다. 특히 플라즈마를 이용한 표면 클리닝이 전자-양공 대칭성을 회복시키는 메커니즘을 규명하였으며, 소자 제작 공정 중 금속-그래핀 계면에서 적절한 도핑 수준 달성의 중요성을 확인하였다. 또한 국소 영역 제어를 통해 채널 내에 접합 구조를 형성함으로써 소자 특성을 제어할 수 있는 가능성을 보였다. 이러한 연구 결과는 향후 고성능 그래핀 소자 제작 및 그래핀 기반의 센서, 논리 소자 응용 연구에 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

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목차

제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 기초 이론 4
2.1. 그래핀 4
2.1.1 그래핀의 구조 4
2.1.2 그래핀의 특성 5
2.2. 그래핀 전계효과 트랜지스터 (Graphene Field Effect Transistor) 6
2.3. 그래핀 박리 및 합성 방법 8
2.3.1. 기계적 박리법 (Physical exfoliation) 8
2.3.2. 화학적 박리법 (Chemical exfoliation) 9
2.3.3. 에피택셜 합성법 (Epitaxial Growth) 11
2.3.4. 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition). 11
2.4. 원자 힘 현미경 (Atomic Force Microscopy) 14
2.4.1. 원자 힘 현미경의 구조와 측정 원리 14
2.4.2. 비접촉 방식 AFM (Non-contact mode AFM) 17
2.5. 플라즈마 (Plasma) 19
2.6. 라만 분광법 (Raman spectroscopy) 24
2.7. 그래핀 전계효과 트랜지스터의 전달곡선(I-V curve) 측정 29
제 3 장. 실험 방법 31
3.1. 그래핀의 합성 및 전사 31
3.1.1 그래핀의 합성 31
3.1.2 그래핀의 성장양상 확인 33
3.2. 그래핀의 전사 35
3.2.1 그래핀의 습식 전사 35
3.2.2. 전사된 그래핀 품질 평가 39
3.3. 그래핀 트랜지스터 소자 제작 (GFET device fabrication). 42
3.3.1 Bottom-contact 그래핀 트랜지스터 소자 제작 42
3.3.2 포토리소그래피 공정 44
3.3.3 포토리소그래피 후 플라즈마 처리 공정 48
3.3.4 금속 증착 및 lift-off (Metal Deposition & lift-off) 49
3.3.5 그래핀 채널 형성 51
3.3.6 Top-contact 그래핀 트랜지스터 소자 제작 53
제 4 장. 실험 결과 및 분석 55
4.1. 제작 공정 변화에 따른 그래핀 소자 특성의 개선 및 기원 분석 55
4.1.1. Contact 방식에 따른 소자의 특성 변화 55
4.1.2. 전극 금속에 따른 소자의 특성 변화 59
4.1.3. 측정 환경에 따른 전달곡선 변화 61
4.2. 그래핀 소자의 전자-양공 비대칭의 기원과 플라즈마를 통한 제어 63
4.2.1. 현상 후 잔여물 특정 및 영향 확인 63
4.2.2. 플라즈마 처리를 통한 잔여물 층 제거 66
4.2.3. 플라즈마 처리 조건에 따른 전달 곡선 변화 73
4.2.4. 전자-양공 비대칭의 원인 분석 78
4.3. 그래핀 채널 특성 제어 81
4.3.1. AuCl3 도포를 통한 그래핀 채널 특성 제어 81
4.3.2. 플라즈마 처리를 통한 채널 특성 제어 88
4.3.3. 국소 영역 제어를 통한 소자 특성 변화 93
제 5 장. 결 론 99
참 고 문 헌 102

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