[논문]그래핀을 베이스로 사용한 열전자 트랜지스터의 특성

이형규; 김성진; 강일석; 이기성; 김기남; 고진원

doi:10.4313/jkem.2016.29.3.147

Abstract ▼ AI-Helper

Graphene has a monolayer crystal structure formed with C-atoms and has been used as a base layer of HETs (hot electron transistors). Graphene HETs have exhibited the operation at THz frequencies and higher current on/off ratio than that of Graphene FETs. In this article, we report on the preliminary...

Graphene has a monolayer crystal structure formed with C-atoms and has been used as a base layer of HETs (hot electron transistors). Graphene HETs have exhibited the operation at THz frequencies and higher current on/off ratio than that of Graphene FETs. In this article, we report on the preliminary results of current characteristics from the HETs which are fabricated utilizing highly doped Si collector, graphene base, and 5 nm thin $Al_2O_3$ tunnel layers between the base and Ti emitter. We have observed E-B forward currents are inherited to tunneling through $Al_2O_3$ layers, but have not noticed the Schottky barrier blocking effect on B-C forward current at the base/collector interface. At the common-emitter configuration, under a constant $V_{BE}$ between 0~1.2V, $I_C$ has increased linearly with $V_{CE}$ for $V_{CE}$ < $V_{BE}$ indicating the saturation region. As the $V_{CE}$ increases further, a plateau of $I_C$ vs. $V_{CE}$ has appeared slightly at $V_{CE}{\simeq}V_{BE}$, denoting forward-active region. With further increase of $V_{CE}$, $I_C$ has kept increasing probably due to tunneling through thin Schottky barrier between B/C. Thus the current on/off ration has exhibited to be 50. To improve hot electron effects, we propose the usage of low doped Si substrate, insertion of barrier layer between B/C, or substrates with low electron affinity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 컬렉터로 Si 기판을 사용하고 그 위에 그래핀을 전사하여 베이스로, 절연막을 전위장벽이 SiO₂ 보다 작은 Al₂O₃ 극박막을 사용하여 낮은 베이스-이미터 전압으로 전자가 베이스로 투과되도록 하여 그래핀/Si 사이의 전위 장벽을 넘는 HET를 제작하고 그 특성을 관찰하고자 한다.

제안 방법

도핑이 높은 Si 기판위에 2~3개 원자 층을 가진 그래핀을 전달하여 베이스로 사용하고 5 nm의 ALD Al₂O₃층을 증착한 후, 그 위에 Ti 금속을 증착하여 이미터로, 하부 Si 기판은 컬렉터로 사용한 열전자 트랜지스터를 제작하였다. 이미터-베이스 간의 전압에 의해 전류는 터널링에 의해 흐르고, 베이스-컬렉터 간의 전류는 M-S 다이오드의 특성이 아니라 정전압, 역전압 모두 전압에 대해 e^eV/kT의 관계를 관측하였다.
층을 증착한 후, 그 위에 Ti 금속을 증착하여 이미터로, 하부 Si 기판은 컬렉터로 사용한 열전자 트랜지스터를 제작하였다. 이미터-베이스 간의 전압에 의해 전류는 터널링에 의해 흐르고, 베이스-컬렉터 간의 전류는 M-S 다이오드의 특성이 아니라 정전압, 역전압 모두 전압에 대해 e^eV/kT의 관계를 관측하였다. 이미터 공통 모드로 동작시킬 때 V_BE = 0 ∼ 1.

대상 데이터

그래핀 2~3개 원자층의 극박막은 별도의 공정으로 제작되었는데, Si 기판에 Cu 층을 CVD 방법으로 증착하고 이를 고온에서 탄소가스와 반응시킨 후 냉각시켜 탄소원자들이 그래핀으로 결정을 이루도록 한 후, 그 위에 PMMA를 스핀 코팅하고 Cu를 제거하여 그래핀을 분리하였다. 준비된 조각 시료 위에 그래핀/PMMA 를 접착시키고 PMMA를 제거하면 반델발스 힘에 의해 그래핀은 Si 기판에 전달되었다 [7].
이미터로 사용된 금속은 일함수가 작은 Ti(4.3eV)를 사용하였다. Ti 금속은 Au(일함수:5.

성능/효과

이는 그래핀-Si 컬렉터 계면의 쇼트키 장벽을 넘는 열전자에 의한 전류보다는 얇은 공핍층을 투과하는 전자의 터널링에 의해 형성되는 것으로 판단된다. V_BE에 의한 I_on/I_off 비를 계산하면, 측정범위에서 최대 50을 나타내었다. 소자의 동작이 기대하는 열전자에 의해 동작하며 높은 I_on/I_off 특성을 얻기 위해서는 컬렉터로 사용된 Si 기판의 농도가 낮아야 할 것으로 생각한다.
소자의 동작이 기대하는 열전자에 의해 동작하며 높은 I_on/I_off 특성을 얻기 위해서는 컬렉터로 사용된 Si 기판의 농도가 낮아야 할 것으로 생각한다. 본 연구의 결과로 극박막 그래핀을 사용하여 터널링과 쇼트키 장벽을 이용하여 전류 제어가 가능한 소자를 구현하였다.
이미터-베이스 간의 전압에 의해 전류는 터널링에 의해 흐르고, 베이스-컬렉터 간의 전류는 M-S 다이오드의 특성이 아니라 정전압, 역전압 모두 전압에 대해 e^eV/kT의 관계를 관측하였다. 이미터 공통 모드로 동작시킬 때 V_BE = 0 ∼ 1.2 [V ] 로 변화시키면서 V_CE = 0 ∼ 3.0 [V ]를 인가하면, 0 ≤ V_CE < V_BE 의 경우 I_C는 V_CE에 의해 선형적으로 증가하는 포화영역이 관측되었고, V_C ≃V_B 인 때 정규 활성 영역으로 진입하는 양상을 보이다가 V_CE 증가에 의해 I_C는 급격히 증가하는 것을 관측하였다. 이는 그래핀-Si 컬렉터 계면의 쇼트키 장벽을 넘는 열전자에 의한 전류보다는 얇은 공핍층을 투과하는 전자의 터널링에 의해 형성되는 것으로 판단된다.

후속연구

3를 차지하고 있어 BJT의 경우에 비교할 때, 전압 이득은 매우 작은 것을 알 수 있다. 이는 타 연구에서도 지적된 것과도 동일하며, I_B가 BJT에서는 베이스 층에서 재결합에 의해 소멸되는 정공을 보충하는 역할은 하지만, 본 소자의 경우 베이스 그래핀은 밴드갭이 없어 전자-정공의 재결합이 없기 때문에 BJT와 다른 역할을 할 것이지만 더 많은 분석을 필요로 한다 [5,6,8].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀의 극박막은 나노두께의 극박막과 접합하면 무엇으로 사용되는가?	하지만 밴드갭이 없고 페르미 준위를 중심으로 이동자의 상태 밀도함수가 독특한 원뿔(cone) 형태로써 전자 또는 정공의 수가 증가하면 반도체와 달리 쉽게 페르미 준위가 변하게 된다. 그래핀의 극박막은 또다른 나노두께의 극박막의 절연체(HBN, ALD 산화막 등)과 접합하여 터널링 트랜지스터로 동작 가능하며, 메모리소자의 부유게이트로 사용할 수도 있다 [2,3]. FET의 채널로 그래핀을 활용하는 경우, 게이트 전압 변화에 의해 디락점(dirac point)를 중심으로 bipolar 특성을 보이게 되지만 잔류하는 이동자에 의해 off 전류가 매우 높다.
	열전자는 무엇인가?	이를 극복하기 위해 그래핀을 베이스로 사용한 열전자 트랜지스터(hot electron transistor)가 제시, 구현되었다 [4, 5]. 열전자는 이미터에서 베이스로 주입된 전자 중 베이스/컬렉터 계면의 전위 장벽을 넘어 컬렉터로 넘어가는 높은 에너지를 가진 전자를 의미한다. 그래핀 HET의 또 다른 장점은 베이스를 지나는 시간이 짧아 고속 동작이 가능하며, 전류의 on/off 비가 104로써, 그래핀 FET의 102에 비해 2-차수 이상 크다 [6].
	본 연구에서 제작한 열전자 트랜지스터의 작동했을 때, 어떤 것을 관측할 수 있었나?	도핑이 높은 Si 기판위에 2~3개 원자 층을 가진 그래핀을 전달하여 베이스로 사용하고 5 nm의 ALD Al2O3층을 증착한 후, 그 위에 Ti 금속을 증착하여 이미터로, 하부 Si 기판은 컬렉터로 사용한 열전자 트랜지스터를 제작하였다. 이미터-베이스 간의 전압에 의해 전류는 터널링에 의해 흐르고, 베이스-컬렉터 간의 전류는 M-S 다이오드의 특성이 아니라 정전압, 역전압 모두 전압에 대해 eeV/kT의 관계를 관측하였다. 이미터 공통 모드로 동작시킬 때 VBE = 0 ∼ 1.

참고문헌 (8)

A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Materials, 6, 183 (2007). [DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nmat1849]

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L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, A. Mishchenko, T. Georgiou, M. I. Katsnelson, L. Eaves, S. V. Morozov, N.M.R. Peres, J. Leist, A. K. Geim, K. S. Novoselov, L. A. Ponomarenko1, Science, 335, 947 (2012). [DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.1218461]

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A. J. Hong, E. B. Song, H. S. Yu, M. J. Allen, J. Y. Kim, J. D. Fowler, J. K. Wassei, Y. J. Park, Y. Wang, J. Zou, R. B. Kaner, B. H. Weiller, and K. L. Wang, ACS Nano, 5, 7812 (2011). [DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nn201809k]

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C. Zeng, E. B. Song, M. Wang, S. J. Lee, C. M. TorresJr, J. Tang, B. H. Weiller, and Kang L. Wang, Nano Lett., 13, 2370 (2013). [DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl304541s]

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S. Vaziri, G. Lupina, C. Henkel, A. D. Smith, M. Ostling, J. Dabrowski, G. Lippert, W. Mehr, and M. C. Lemme, Nano Lett., 13, 1435 (2013). [DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl304305x]

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F. Xia, D. B. Farmer, Y. M. Lin, and P. Avouris, Nano Lett., 10, 715 (2010). [DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl9039636]

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S. K. Bae, H. K. Kim, Y. B. Lee, X. Xu, J. S, Park, Y. Zheng, J. Balakrishnan, T. Lei, H. R. Kim, Y. I. Song, Y. J. Kim, K. S. Kim, B. Ozyilmaz, J. H. Ahn, B. H. Hong, and S. Iijima, Nature nanotechnology, 5, 574 (2010). [DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2010.132]

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B. D. Kong, Z. Jin, and K. W. Kim, Phys. Rev. Appl., 2, 054006 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.2.054006]

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