Graphene consisting of two-dimensional carbon has attracted great interest in nano-electronics, specifically, high speed field effect transistor (FET) because of its ultrahigh carrier mobility. Although recent works have already shown the feasibility of graphene as FET channel layer, further investigation should be performed for realizing practical graphene-based application.
In order to utilize graphene channel in logic circuit or RF device, the charge neutral point, Dirac voltage (VDi-rac) should be controllable as it determines carrier type as well as carrier density at a given gate bias. In this work, we report tunable VDirac of graphene FET is achieved by utilizing hafnium lanthanum oxide (HfLaO) gate dielectric. The graphene FET has bottom-gate configuration with p-type heavily doped silicon substrate as the gate electrode. 100 nm thick SiO2 is grown on the silicon wafer and then 5 nm thick HfLaO is deposited on top of SiO2 by atomic layer deposition (ALD) process. The graphene channel is then placed on top of HfLaO. We prepared several samples of HfLaO dielectric with different La percentage in HfLaO film. The La percentage in HfLaO film is controlled by adjusting ALD cycle ratio between HfO cycle and LaO cycle. The VDirac of graphene FET with HfLaO gate dielectric is gradually shifted toward negative voltage with increasing La concentration. Such tunable VDirac of the graphene FET with HfLaO gate dielectric is believed to be related to the hygroscopic nature of LaO which easily forms La(OH)3 by absorbing wafer molecules. HfLaO seems to remove hydroxyl group or water molecules from the graphene channel which are known as hole dopants in graphene channel.
Due to the zero band-gap, the on/off current ratios for graphene transistors about 100, much lower than the 103-106 required for mainstream logic application. In RF application, however, this low on/off ratios is not required. In this work, we investigate the graphene-based RF transistor using PVP polymer dielectric for im-proving the RF performance. 100 nm thick SiO2 is grown on the silicon wafer and a PVP polymer dielectric is coated on top if SiO2. The CVD grown graphene is transferred on top of this substrate. We propose an organ-ic/inorganic hybrid top dielectric, which consist of an ultrathin PVP polymer dielectric of 5 nm and a Al2O3 high-k dielectric of 20 nm. RF characterization is performed on this device structure, giving a current-gain cut-off frequency fT=0.56GHz. The PVP/Graphene/PVP structure shows the improved performance as compared with the control device. This result gives an indication of the significant advantage that a PVP polymer sub-strate and dielectric can have over SiO2 and Al2O3 in terms of preserving the high carrier mobility and carrier velocity in graphene.
그래핀은 2차원 평면구조를 가지는 탄소원자의 집합체로 높은 기계적 강도, 우수한 열전도성, 높은 전자이동도로 최근 많은 주목을 받고 있다. 이 중 높은 전자이동도는 그래핀을 이용한 초고속 전계효과 트랜지스터의 가능성을 보여주고 있다. 지금까지 트랜지스터의 채널영역으로써 그래핀을 이용하는 방법이 연구되고 있지만, 그래핀 기반의 트랜지스터를 고주파 회로에 적용하기에는 아직 어려움이 많다. 특히, 그래핀의 Dirac전압은 게이트 전압에 따라 전하의 종류와 밀도가 바뀌기 때문에 이를 조절하는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 HfLaO 게이트 절연막을 이용한 그래핀 전계효과 트랜지스터의 Dirac 전압 조절을 보고한다.
본 연구에서 제작된 모든 그래핀 소자는 bottom-gate 구조를 지니고 있다. 기판으로서100nm 두께의 SiO2 가 성장되어있는 P+ doping된 Si wafer를 이용하였고, 이 위에 ALD process를 통해 5nm 두께의 HfLaO를 올렸다. La 농도에 따른 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 특성을 관찰하기 위하여 La의 비율을 변화시켜 가면서 HfLaO 박막을 증착하였다. HfLaO 박막 내의 La 비율은 ALD process중의 HfO cycle과 LaO cycle의 비율을 통해 조절하였다. HfLaO 박막 내 La 비율이 증가하면서 Dirac 전압이 조금씩 음의 방향으로 이동을 하였고, La 비율이 100%인 순수한 La2O3 로 제작된 소자에서는 Dirac 전압이 0이 되었다. 이러한 Dirac 전압의 변화는 La2O3이 가지는 흡습성 특성으로 설명 되어 질 수 있다. 다시 말해 LaO은 대기 중의 H2O를 흡수하여 La(OH)3로 쉽게 변하기 때문에, 채널영역의 그래핀을 p-type으로 도핑 시키는 OH 또는 H2O를 제거한다.
또한 그래핀은 밴드갭이 존재하지 않기 때문에 트랜지스터의 On/Off 비율이 100 정도 밖에 되지 않으며, 이 값은 현 논리소자에서 요구하는 값에 휠씬 미치지 못한다. 하지만 RF 소자에서는 이러한 낮은 On/Off 비율이 문제되지 않는다. 본 연구에서는 PVP 고분자 절연막을 이용한 그래핀 기반의 RF 트랜지스터를 제작하였다. 100nm 두께의 SiO2 가 성장되어 있는 Si wafer 위에 PVP 고분자를 코팅하였다. 이 위에 CVD 기법으로 성장된 그래핀을 전사하였다. Top-gate 절연막으로 5nm 두께의 PVP와 20nm 두께의 Al2O3를 이용한 하이브리드 절연막을 이용하였다. 이 구조의 RF 특성은 current gain cut-off 주파수로 0.56GHz를 얻었다. PVP/그래핀/PVP 구조는 다른 구조에 비해서 높은 RF 특성을 보였다. 이 결과는 PVP 고분자 절연막이 비유기물 절연막인 SiO2나 Al2O3에 비해서 그래핀의 높은 전자이동도와 전하 이동속도를 유지하는데 유리함을 보여준다.
