그래핀의 표면 의존적 비대칭 성장 및 SGM을 이용한 그래핀 FET 특성 연구
Asymmetric Surface-Dependent Graphene Growth and Characterization of Graphene FET via SGM
- 주제(키워드) 그래핀 , 화학 기상 증착법 , 원자 힘 현미경 , Scanning Gate Microscopy , 전계 효과 트랜지스터
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박지용
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036440
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 저압 화학 기상 증착법（Low-Pressure Chemical Vapor Deposition）을 통해 구리 호일의 양면에서 성장하는 그래핀의 성장 특성을 비교하고, 그래핀 전계 효과 트랜지스터에 대한 Scanning Gate Microscopy（이하 SGM） 측정 결과를 바탕으로 그래핀 Field-Effect Transistor의 특성을 분석하였다. 구리 호일을 CVD 내 석영관（Quartz tube）의 곡률에 맞게 배치하여 단일 공정으로 두 가지의 성장 환경을 만들 수 있다. 주입되는 가스의 전구체（Precursor） 흐름에 직접적으로 노출되는 윗면은 빠르고 밀도 높은 그래핀 섬（Island）을 형성하며, 1분만에 완전한 단층（Monolayer）의 그래핀 필름이 완성된다. 윗면은 가스 노출 정도가 낮은 아랫면과 비교해 10배 빠른 성장 속도를 보이지만, 5분 이상 성장하면 단층 그래핀 필름과 함께 이중층（Bilayer） 그래핀 섬이 추가로 성장함을 확인하였다. 반면, 석영관에 맞닿은 구조로 인해 윗면에 비해 제한적으로 가스 공급을 받는 아랫면은 느리고 밀도가 낮은 그래핀 섬을 형성하며 성장한다. 느린 성장 속도와 함께 그래핀 섬의 크기는 더 크며, 각 그래핀 섬이 결합하여 10분 뒤 완전한 단층 필름을 형성한다. 본 연구에서는 하나의 구리 호일이 두 가지의 다른 성장 환경을 제공할 수 있음을 보여주며, 한 공정 내에서 고밀도의 빠른 그래핀 성장과 저밀도의 느린 그래핀 성장을 동시에 구현할 수 있음을 입증한다. 또한, 주입되는 가스의 유량을 조절하여 가스의 비율에 따른 초기 성장 형태의 메커니즘을 분석하고, 그 결과 원하는 그래핀 섬의 형태를 제어할 수 있음을 보여준다. 또한, 최적의 성장 조건을 가진 그래핀을 바탕으로 전계 효과 트랜지스터를 제작한 뒤, SGM으로 측정하여 채널 내 국소적인 전기적 특성을 확인하였다. 원자 힘 현미경（Atomic Force Microscopy, 이하 AFM）을 통한 표면 형상 이미지에선 특이점이 보이지 않았으나, SGM으로 측정 시에는 전류의 변화가 강한 지점이 존재함을 알 수 있다. 추가적으로 그래핀 FET에 고온 열처리（Annealing）를 시도하여 온도에 따른 소자 내 특성 변화를 SGM으로 확인하였고, 라만 분광법과 전류-전압 특성 곡선을 통해 그래핀 내 도핑 정도 변화와의 상관 관계를 연구하였다. 이를 통해 그래핀의 주요 라만 피크인 G, 2D 피크가 고온의 열처리를 거친 뒤에 청색 편이（Blue shift） 된 것을 확인하였다. 또한, 2D/G 피크의 비율을 매핑한 이미지와 SGM 매핑 이미지에서 신호가 강하게 나타나는 위치를 대조해, 전극과 채널의 접합부 영역과 채널 중앙부 영역의 p-type 도핑 차이가 있음을 확인하였다.
more목차
제1장. 서론 1
제2장. 기초 이론 5
제1절. 그래핀 5
1. 그래핀의 구조 및 특성 5
2. 그래핀 전계 효과 트랜지스터 7
제2절. 그래핀 합성 방법 9
1. 기계적 박리법 9
2. 화학적 박리법 10
3. 에피택셜 합성법 11
4. 화학 기상 증착법 12
제3절. 원자 힘 현미경 14
1. 측정 원리 14
2. 비접촉 모드 18
3. 정전기력 모드 19
4. SGM 모드 22
제4절. 라만 분광법 24
제5절. 플라즈마 27
제3장. 실험 방법 30
제1절. 그래핀 합성 및 전사 30
1. 구리 촉매 기판 배치 및 합성 조건 30
2. 관측 및 분석 방법 33
3. 습식 전사 및 플라즈마 35
제2절. 그래핀 FET 제작 38
1. 포토리소그래피 38
2. 금속 증착 41
3. 채널부 포토리소그래피 및 플라즈마 처리 42
4. 전류-전압 특성 곡선 측정 45
5. 어닐링 공정 48
제3절. SGM 측정 셋업 49
1. 측정 구조 및 조건 49
2. DC- SGM 50
3. AC-SGM 52
제4장. 실험 결과 54
제1절. 그래핀 양면의 비대칭 성장 양상과 메커니즘 54
1. 성장 시간 변수에 따른 변화 54
2. 가스 유량 변수에 따른 변화 58
3. 소자 제작 및 캐리어 이동도 비교 61
제2절. SGM 을 이용한 그래핀 FET 특성 분석 62
1. 그래핀 채널 측정 결과 비교 62
2. 어닐링 처리에 따른 특성 변화 65
제5장. 결론 71
참고 문헌 73
