표면처리 및 변형력에 의한 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 특성 변화 연구

Abstract

그래핀(Graphene)은 강철의 100배 이상의 강도, 세상에서 가장 빠른 전자 이동도, 높은 열전도도, 한 장당 97.7%의 높은 투과율, 유연함 등 다양한 특징을 가지고 있다. 이러한 좋은 특성 때문에 그래핀을 이용하여 발광소자(LED), 유기발광다이오드(OLED)와 태양전지의 투명전극 소재, sensor, 초고속 트랜지스터(FET) 등 다양한 응용분야에 적용하여 사용될 수 있는 매력적이고 발전가능성이 큰 물질이다. 본 연구의 목적은 그래핀의 성장과 그래핀을 채널로 이용한 FET를 제작하여 위와 같은 연구에 기초가 되는 것에 있다. 이를 위해 저압화학기상증착법(LPCVD)을 통해 구리 호일에 단 일층 그래핀의 성장에 요구되는 다양한 변수들을 조절하여 초기성장 상태를 확인하여 이상적인 그래핀에 대한 성장을 연구하였다. 이상적인 방법으로 성장시킨 그래핀을 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)를 이용하여 SiO₂/Si 기판에 전사시켜 만들어진 그래핀 전계형 트랜지스터 [Graphene Field Effect Transistors (GFETs)] 는 전형적으로 p-type의 성질을 보여주는데, 이것은 대기 중에 존재하는 hydroxyl (-OH) group 또는 고분자 잔여물에 공기중의 H₂O 또는 O₂의 흡수에 기인하며 전자이동도를 낮춘다는 것으로 알려지고 있다. 또한 SiO₂에 존재하는 charge puddle 또한 GFETs 의 전기적 특성에 영향을 준다. 이러한 영향을 주는 요인들을 윗면과 아래면의 Passivation에 따라 GFETs의 전기적 특성 변화에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다. 먼저 SiO₂/Si 기판 위에 만들어진 GFETs의 전기적 특성을 확인한 후, 다양한 고분자 기판에 전사하여 아래면을 Passivation 시킨 효과를 관찰하였고, 만들어진 GFETs에 다른 고분자물질을 스핀 코팅하여 윗면을 Passivation 시킴으로서 윗면과 아랫면의 Passivation을 통해 그래핀 소자의 전자이동도나 히스테리시스의 변화를 조사하였다. 또한 후속 연구로서 PMMA가 저분자 알코올에 의해 swelling 하는 성질을 이용하여 strain이 가해지는 그래핀에 대하여 관찰, 연구하였다. 제작된 그래핀 소자에 PMMA를 코팅하고 BOE(Buffered oxide etchant)를 이용하여 SiO₂/Si 기판에서 분리한 뒤, 뒤집어 전사시킴으로서 PMMA가 기판이 되는 그래핀 소자를 제작 후, 가장 분자량이 작아 swelling이 가장 잘 일어나는 메탄올에 담가 swelling 전, 후에 따른 그래핀 소자의 변화를 I-V curve와 원자간력현미경(AFM), 라만분광법을 이용하여 관찰 하고 strain이 가해지는 그래핀에 대해 새로운 시각으로 접근하는 패러다임을 제시하였다.