KR101006488B1 - 그래핀의 전기적 특성 제어 방법 - Google Patents

그래핀의 전기적 특성 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법에 관한 것으로, 특징적으로 그래핀에 구조적 결함을 생성하여 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법이며, 보다 특징적으로, 산소플라즈마를 이용하여 상기 그래핀에 구조적 결함을 생성하여 그래핀의 전체적인 모양은 변화시키지 않으며, 그래핀의 전기적 특성을 제어하고, 산소플라즈마 상태 및 산소플라즈마 인가시간과 그래핀의 전도도의 관계식을 제공하여, 매우 정밀하고 재현성 있게 그래핀의 전기적 특성을 제어할 수 있으며, 그래핀의 일부 영역의 전기적 특성만을 선택적으로 제어할 수 있으며, 그 제어 범위가 매우 넓어 전도성 내지 비전도성(절연성)까지 그래핀의 전기적 특성을 제어할 수 있는 특징이 있다.
그래핀, 전도도, 결함, 트랜지스터, 저항, 배선, 메모리,

Description

그래핀의 전기적 특성 제어 방법{Control Method on The Electric Property of Graphene}
본 발명은 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조적 결함을 통해 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법에 관한 것이다.
그래핀은 2004년에 발견된 새로운 2차원 탄소물질로써 현재까지 학계에서 활발히 연구되고 있는 분야이다. 그동안의 그래핀 연구 성과는 기초적인 물리적 특성뿐만 아니라 이를 이용한 새로운 소자의 출현까지 예고하고 있다. 그 중 이론적으로 그래핀만을 이용한 집적소자 제작의 가능성도 제시되고 있는 상황이다.
이렇게 그래핀을 이용해 새로운 응용 소자를 만들거나 집적 소자를 만들기 위하여 기본적으로 필요한 기술이 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 것이다. 하지만 아직까지 그래핀의 전기적 특성 제어에 대한 기술 특허나 연구결과는 전무한 실정이다.
본 출원인은 그래핀에 구조적 결함을 생성시켜 그래핀의 전기적 특성을 선택적으로 제어하는 기술을 제공하고자 하며, 본 발명은 그래핀의 전기적 특성에 대한 기초 연구의 단서를 제공함과 동시에, 그래핀을 이용한 광소자, 트랜지스터 소자, 비휘발성 메모리 소자, 그래핀 저항, 그래핀 배선과 같이 산업적 활용성이 매우 높은 기술을 제공한다.
본 발명의 목적은 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법을 제공하는 것이며, 상세하게 그래핀의 전도도를 정밀하게 제어 가능한 방법을 제공하는 것이며, 반도성 내지 비 전도성 그래핀을 제조하는 방법을 제공하는 것이며, 전체 그래핀에서 선택적 영역의 전기적 특성을 제어하는 방법을 제공하는 것이며, 본 발명의 다른 목적은 그래핀에서 위치별(영역별)로 전기적 특성을 제어하여 그래핀 저항, 트랜지스터 소자용 그래핀 채널, 그래핀 배선 및 비휘발성 전하트랩형 메모리의 그래핀 전하트랩층을 제공하는 것이다.
본 발명은 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법으로, 상세하게 그래핀(graphene)에 구조적 결함(defect)을 생성하여 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 특징이 있다.
이하, 상기 그래핀의 전기적 특성은 그래핀의 면 방향(in-plane direction)의 전기적 특성을 의미한다.
상기 그래핀은 단층 그래핀 및 다층 그래핀(MLG; MultiLayer Graphene)을 모두 포함한다.
상기 결함은 라만 분광법에서 1300 내지 1400(cm-1) 위치에 픽(peak)을 형성하는 결함인 특징이 있으며, 상기 그래핀에 생성된 결함의 양이 증가함에 따라 상기 픽의 강도가 증가하는 특징이 있다.
상기 결함은 그래핀의 가열, 그래핀과 화학적으로 반응하는 가스와의 접촉, 광 조사, 초음파의 인가, 또는 플라즈마와의 접촉에 의해 생성되는 특징이 있다.
보다 특징적으로 상기 결함은 산소 플라즈마에 의해 생성되며, 상기 결함에 의해 상기 그래핀의 전기적 특성이 전도성 내지 절연성으로 제어되며, 보다 특징적으로 상기 결함에 의해 그래핀의 전기적 특성이 전도성 내지 절연성으로 제어된다.
본 발명에 따른 산소플라즈마에 의한 결함 생성시, 상기 그래핀의 전도도(conductance)는 상기 산소플라즈마의 파워(W), 산소 유량(sccm), 산소플라즈마 생성 압력(Pa) 및 산소플라즈마와 상기 그래핀의 접촉 시간인 플라즈마 인가시간(sec)에 의해 제어되는 특징이 있다.
보다 특징적으로 상기 그래핀의 전도도(in-plane conductance)는 하기의 관계식 1에 의해 제어된다.
(관계식 1)
G = G0 exp(-At)
(G는 결함이 생성된 후 그래핀의 전도도(mS)이며, G0는 결함이 생성되기 전 그래핀의 전도도(mS)이며, 상기 A는 상기 산소플라즈마 파워(W), 산소 유량(sccm) 및 산소플라즈마 생성 압력(Pa)에 의해 결정되는 상수이며, 상기 t는 플라즈마 인가시간(sec)이다)
본 발명의 제어 방법은 산소 플라즈마에 의해 그래핀에 구조적 결함을 야기하는 경우, 일정한 산소 플라즈마 상태 하에서 산소 플라즈마의 인가 시간에 따라 결함이 생성된 영역의 그래핀의 전도도가 지수적으로 감소(Exponentially decreased)하는 특징이 있으며, 이에 의해 그래핀과 접촉하는 상기 산소 플라즈마 상태를 결정하는 산소플라즈마 파워, 산소 유량 및 산소플라즈마 생성 압력에 의해 상기 관계식1의 상수(A)가 결정되고, 상기 결함이 형성된 그래핀의 전기적 특성은 상기 산소 플라즈마와 그래핀이 접촉하는 시간인 플라즈마 인가시간에 의해 제어되는 특징이 있다.
상기 A는 0.04 내지 0.06인 특징이 있으며, 이러한 상수(A)는 90 내지 110의 산소플라즈마 파워(W), 90 내지 110의 산소 유량(sccm) 및 90 내지 110의 산소플라즈마 생성 압력(Pa)의 산소 플라즈마 상태에 의해 산출된 상수인 특징이 있다.
본 발명은 상기 관계식1을 이용하여, 그래핀 전영역 또는 일부 영역의 전기적 특성을 매우 정밀하게 원하는 값으로 제어 가능한 특징이 있으며, 다층 그래핀인 경우에도 산소플라즈마에 의해 균질하게 결함이 생성되어 재현성 있고 신뢰성 있는 전도도의 제어가 가능하다.
본 발명의 제어방법은 그래핀 전 영역에서 특정 영역의 전기적 특성을 제어할 수 있으며, 이를 위해, 상기 그래핀에 감광성 물질을 도포하고 패턴을 갖는 마 스크를 이용하여 노광 및 현상한 후, 상기 산소플라즈마와 접촉하여 상기 현상에 의해 감광성 물질이 제거된 그래핀 영역에 상기 결함을 생성하는 특징이 있다.
상기 마스크, 상기 감광성 물질, 상기 노광 및 현상은 통상의 반도체 공정에 사용되는 리쏘그래피와 유사한 공정이며, 상기 노광은 13nm(EUV) 내지 435nm(g-line)을 포함하는 광, 전자 빔, 이온 빔, x-선을 포함하는 노광이다.
그래핀의 전도도 제어가 요구되는 영역이 상기 현상에 의해 표면에 노출되도록 하고, 상기 관계식 1에 의해 결함에 의한 전기적 특성을 정밀하게 제어함으로써 다양한 태양광소자, CIS(CMOS Image Sensor), CCD(Charge Coupled Device)를 포함하는 광소자, 트랜지스터를 포함한 전자소자, 메모리소자, 저항을 포함하는 전자부품이 제조 가능하다.
상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 저항이 형성되는 특징이 있으며, 보다 상세하게 상기 현상에 의해 제거된 그래핀 영역에 상기 결함이 생성되어 상기 저항이 형성된다. 이러한 그래핀의 국부적 전기적 특성 제어에 의해 본 발명은 그래핀 내에 국부적으로 형성된 그래핀 저항을 제공한다.
상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 상기 그래핀에 전류 이동 배선이 형성되는 특징이 있으며, 보다 상세하게 상기 현상에 의해 그래핀에 남아있는 상기 감광성 물질의 패턴(전사된 마스크의 패턴)이 상기 전류 이동 배선의 패턴이 되며, 상기 전류 이동 배선 이외의 영역(현상에 의해 감광성 물질이 제거된 영역)은 상기 관계식 1에 따라 절연성을 갖도록 결함이 형성된다. 이러한 그래핀의 국부적 전기적 특성 제어에 의해 본 발명은 그래핀 내에 국부적으 로 형성된 그래핀 도선(전류가 이동 가능한 배선)을 제공한다.
상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 트랜지스터의 채널이 형성되는 특징이 있으며, 보다 특징적으로 상기 현상에 의해 제거된 그래핀 영역에 상기 결함이 생성되어 반도체성 트랜지스터 채널을 형성한다. 이러한 그래핀의 국부적 전기적 특성 제어에 의해 본 발명은 그래핀 내에 국부적으로 형성된 트랜지스터용 그래핀 채널층을 제공한다.
상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 전하트랩형 비 휘발성 메모리 소자의 전하 트랩층이 형성되는 특징이 있으며, 보다 상세하게 상기 현상에 의해 제거된 그래핀 영역에 상기 결함이 생성되어 결함에 의해 전하 트랩 싸이트(site)가 제어된 전하 트랩층이 형성된다. 이러한 그래핀의 국부적 전기적 특성 제어에 의해 본 발명은 그래핀 내에 국부적으로 형성된 전하트랩형 비휘발성 메모리용 그래핀 전하 트랩층을 제공한다.
본 발명은 그래핀의 전체적인 모양은 변화시키지 않으며, 그래핀에 결함을 생성하여 그래핀의 전기적 특성을 제어할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 산소플라즈마를 이용하여 그래핀의 전기적 특성을 제어하고 이에 의해 산소플라즈마 상태 및 산소플라즈마 인가시간과 그래핀의 전도도의 관계식을 제공하여, 매우 정밀하고 재현성 있게 그래핀의 전기적 특성을 제어할 수 있는 장점이 있으며, 그 제어 범위가 매우 넓어 전도성 내지 비전도성(절연성)까지 전기적 특성을 제어할 수 있는 장 점이 있다.
또한, 그래핀의 일부 영역의 전기적 특성만을 선택적으로 제어가능하며, 정밀하게 그 값이 제어된 그래핀 저항을 그래핀 내부 원하는 위치에 원하는 형상으로 형성할 수 있으며, 전하가 트랩되는 결함을 생성하여 그래핀 내부 원하는 위치에 원하는 형상으로 그래핀 전하트랩층을 형성할 수 있으며, 특정 패턴 이외의 그래핀 영역에 절연 특성을 갖도록 결함을 형성시켜 금속 배선과 유사하게 그래핀 배선을 형성할 수 있으며, 트랜지스터 소자용 그래핀 채널을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 특징적으로 산소플라즈마를 이용하여 그래핀의 전기적 특성을 제어하며, 감광성 물질의 패턴에 의해 그래핀 국부 영역의 전기적 특성을 선택적으로 제어할 수 있으므로, 본 발명의 제어 방법을 위해 고가의 장비나 공정의 변화 없이 통상의 반도체 제조 공정에 도입이 용이한 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 특징은 그래핀에 구조적 결함을 생성하여 그래핀의 전기적 특성을 제어함이며, 상기 구조적 결함은 그래핀의 가열, 그래핀과 화학적으로 반응하는 가스와의 접촉, 광 조사, 초음파의 인가, 또는 플라즈마와의 접촉에 의해 결함이 생성되어 전기적 특성이 변화될 수 있다. 그러나, 이하, 결함에 의한 전기적 특성 변화값의 재현성, 정밀한 전도도의 제어, 고 신뢰성, 결함 생성의 균질성, 그래핀 국부영역 처리의 용이함 측면에서 플라즈마, 특징적으로 산소플라즈마에 의한 결함 생성을 주로 하여 상술한다.
가능한 내부 결함이 없는 그래핀에 인위적으로 결함을 생성하기 위해 벌크 그라파이트(bulk graphite)를 쪼개어 다층 그래핀(MLG, 약 3.5nm의 두께)을 제조(Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666.669. Zhang, Y.; Tan, Y. W.; Stormer, H. L.; Kim, P. Nature 2005, 438, 201.204.)하였으며, 이를 대상으로 산소플라즈마에 의한 결함 생성 및 이에 따른 전도도의 변화를 측정하였다.
결함에 따른 그래핀의 전도도와 게이트전계효과를 측정하기 위해, P형 불순물로 헤비 도핑되어 300nm 두께의 실리콘 산화막이 형성된 기판 상부에 상기 다층 그래핀(MLG)을 위치시키고 전자 빔 리쏘그래피 및 전자 빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 그래핀 상부에 Pd/Au(20/50nm)의 전극을 형성하였다. 도 1은 전극이 형성된 그래핀의 AFM(Atomic Force Microscopy) 사진이다.
그래핀에 결함을 생성하기 위해, 플라즈마 파워 100W, 산소 유량 100sccm, 100Pa의 압력으로 산소 플라즈마(plasma finish GmbH V6-G)를 생성하여 그래핀과 산소 플라즈마를 접촉시켰다.
도 2는 그래핀과 산소플라즈마가 접촉한 시간인 플라즈마 인가시간(sec)에 따라 전압(Pd/Au 전극의 전압)-전류를 측정한 그래프로, 플라즈마 인가에 의해 그래핀의 전기적 특성이 변화됨을 알 수 있으며, 인가 시간이 길어짐에 따라 그래핀의 저항이 증가함을 알 수 있으며, 수십초의 매우 짧은 인가 시간에도 불구하고 저항이 kΩ에서 MΩ의 오더(order)로 매우 크게 변함을 알 수 있다. 이때, 플라즈마의 인가 시간에 관계없이 Pd/Au 전극과 그래핀이 오믹 접촉을 함을 확인하였으며, 약 10nm 두께의 그래핀을 대상으로 동일한 실험을 수행하여 도 2의 전기적 특성 변화가 면 방향(in-plane direction)의 전기적 특성 변화에 의해 야기됨을 확인하였다.
도 3은 플라즈마 인가시간에 따른 그래핀의 라만 분광 결과를 도시한 것으로, 산소플라즈마 인가에 의해 산소플라즈마 인가시간에 관계없이 1300 내지 1400 (cm-1)의 동일한 위치에 픽이 형성됨을 알 수 있으며, 산소플라즈마 인가시간이 증가함에 따라, 픽의 강도가 증가함을 알 수 있다. 이를 통해, 산소플라즈마 인가에 의해 그래핀에 구조적 결함이 생성됨을 확인할 수 있었으며, 산소플라즈마 인가시간이 증가함에 따라 유사한 종류의 결함이 지속적으로 증가하여 생성됨을 알 수 있다.
이러한 결함 생성은 저주파 노이즈(low frequency noise) 측정을 통해서도 확인 할 수 있었다. 잡음 전류 증폭기(DL Instrument 1201) 및 다이나믹 시그날 어날라이저(Stanford research system SR780)를 이용하여 측정한 산소플라즈마 처리된 그래핀의 노이즈는 서브 Hz 내지 1000Hz의 전범위에서 전형적인 1/f 노이즈 특성을 보였으며, 산소플라즈마 인가시간이 증가함에 따라 노이즈 파워(A2/Hz) 또한 증가함을 확인하였다.
이때, 산소플라즈마가 인가되지 않은 그래핀의 경우, 1/f 노이즈가 아닌 화이트 노이즈(white noise)가 측정되었으며, 산소플라즈마 인가 전 그래핀에 내부 결함이 거의 존재하지 않았음을 확인할 수 있었다.
도 4(a)는 1.5Hz에서 산소플라즈마 인가시간에 따른 전류로 노말라이즈(normalize)된 노이즈 파워(1/Hz)를 도시한 것으로, 산소플라즈마 인가시간이 증가함에 따라 노말라이즈된 노이즈 파워 또한 증가함을 확인하였으며, 노말라이즈된 노이즈 파워에 로그를 취한 반 로그 그래프가 직선관계를 가짐을 알 수 있다.
도 4(b)는 산소플라즈마 인가시간에 따라 측정된 그래핀의 저항과 1.5 Hz에서 측정된 그래핀의 노말라이즈된 1/f 노이즈 파워를 도시한 것으로, 도 4(a)와 도4(b)를 통해, 산소플라즈마에 의해 생성된 결함이 그래핀의 전기적 특성을 변화시킴을 단적으로 확인할 수 있었으며, 산소플라즈마의 상태(플라즈마 파워, 산소 유량, 및 플라즈마 압력)와 산소플라즈마 인가시간을 제어하여 매우 정밀하게 그래핀의 전기적 특성(전도도)을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 산소플라즈마 인가시간에 따른 그래핀의 전도도를 도시한 반 로그 그래프이며, 도 4의 결과에서 알 수 있듯이, 산소플라즈마 인가시간에 따른 그래핀의 전도도(mG)에 로그를 취한 반 로그 그래프가 직선 관계를 가짐을 알 수 있다.
이러한 산소플라즈마에 의한 결함 생성 및 결함에 의한 그래핀의 전도도는 하기의 관계식 1에 의해 정밀하고 재현성 있게 제어되게 된다.
(관계식 1)
G = G0 exp(-At)
G는 결함이 생성된 후 그래핀의 전도도(mS)이며, G0는 결함이 생성되기 전 그래핀의 전도도(mS)이며, 상기 t는 플라즈마 인가시간(sec)이다.
이때, 비례 상수인 A는 상기 산소플라즈마 파워(W), 산소 유량(sccm) 및 산소플라즈마 생성 압력(Pa)에 의해 결정되는 상수이며, 특정 산소플라즈마 상태에서 특정 시간동안 산소플라즈마를 인가한 후 그래핀의 전도도를 측정하는 단일 측정에 의해 상기 비례상수가 결정되게 되며, 이러한 비례상수는 그래핀의 전도도를 미세 제어하는 경우 또는 그래핀을 절연성으로 제어하는 경우와 같이 제어 정도를 고려하여 적절히 고려될 수 있으며, 적절한 플라즈마 인가시간에 넓은 범위의 전도도를 보다 안정적으로 제어하기 위해 상기 비례상수(A)가 0.04 내지 0.06의 값을 갖도록 플라즈마의 상태를 조절하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 5의 측정 결과는 플라즈마 파워 100W, 산소 유량 100sccm 및 100Pa의 압력인 산소플라즈마 상태이며, 이때 A는 0.0508의 값을 가진다.
도 6은 P형으로 헤비 도핑된 기판을 게이트 전극(gate)으로 하고, 기판 상부에 형성된 산화막을 게이트 절연막으로 하며, 두 Pd/Au 전극을 각각 소스(source)와 드레인(drain) 전극으로 하고, 상기 산화막과 산기 두 Pd/Au 전극 사이에 위치하는 그래핀을 채널로 하여, 산소플라즈마 인가시간별 게이트 전압에 따른 그래핀 채널의 트랜스전도도를 측정 도시한 것이다.
도 6에서 알 수 있듯이 그래핀을 채널로 갖는 그래핀 트랜지스터에서 산소플라즈마의 인가시간이 점점 증가할수록 전류 곡선에서 가장 낮은 전류 부분이 양의 게이트 전압(Vg)로 이동함을 알 수 있으며, 이에 의해 그래핀의 P-형(P-type)경향성이 강해짐을 확인할 수 있으며, 트랜스전도도 또한 노출 시간에 비례하여 감소함을 알 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따라 그래핀 일부 영역의 전기적 특성을 선택적으로 변화시키는 방법을 도시한 공정도로, 도 7 내지 도 10의 공정도에서 그래핀(10)만을 도시하였으나, 상기 그래핀(10)의 하부에는 반도체 단결정, 부도체 단결정, 반도체 다결정, 부도체 다결정, 비정질, 또는 이들의 적층 기판이 위치할 수 있다. 일 예로, 그래핀(10) 하부에 반도성 기판 물질의 밴드갭 조절을 위한 의도적 불순물들이 특정 위치에 도핑된 반도체 단결정 기판이 위치할 수 있으며, 절연막이 형성된 반도체 단결정 기판이 위치할 수 있으며, 광 또는 전자 소자가 기 형성되어 메탈라이제이션(metallization) 및 페시베이션(passivation)이 완료된 반도체 기판(웨이퍼)이 위치할 수 있으며, 감광소자용 웰(low impurity dopped well)이 구비된 반도체 단결정 기판이 위치할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이 그래핀에 감광성 물질을 코팅한 후, 반도체 소자 공정의 리쏘그라피와 유사하게 패턴이 형성된 마스크를 이용한 노광 및 현상을 수행하여 마스크의 패턴과 유사한 패턴을 갖는 감광성 물질(20)의 패턴을 제조한다.
이후, 산소플라즈마와 상기 감광성 물질(20)의 패턴이 구비된 그래핀을 접촉시키고, 산소플라즈마와 그래핀의 접촉 시간(산소플라즈마 인가시간) 및 산소플라즈마의 상태를 제어하여 상술한 관계식1에 따라 감광성 물질이 제거된 그래핀 영역의 전도도를 변화시키고 제어한다.
이후, 상기 감광성 물질(20) 패턴을 제거하면, 산소플라즈마에 의해 구조적 결함이 형성되어 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역(11)과 감광성 물질(20)의 패턴이 산소플라즈마에 대한 보호막으로 작용하여 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역(12)을 동일한 그래핀에 선택적으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 감광성 물질(20)의 패턴 및 전기적 특성 변화 정도는 그 용도에 따라 달라짐은 물론이다.
도 7에서 상기 그래핀(10)이 절연막이 존재하며 불순물로 헤비 도핑된 기판 상부에 위치하고, 상기 도 7과 같이 통상의 트랜지스터의 소스, 채널 및 드레인의 형상을 갖도록 감광성 물질(20)의 패턴을 형성하고, 산소플라즈마에 의해 감광성 물질(20)의 패턴 이외의 영역을 통상의 절연성 물질과 유사한 전도도를 갖도록 결함을 형성시키고, 상기 도 7과 같이 채널 양 단부에 금속 패드(금속 전극, 30)을 형성하여 그래핀을 채널로 한 트랜지스터를 매우 간편하고 빠르며 손쉬운 방법으로 원하는 위치에 원하는 형상으로 대량 제조할 수 있다.
도 8은 도 7과 유사하나, 감광성 물질(20)의 패턴이 제거된 후, 그래핀과 산소플라즈마를 다시 접촉시켜 그래핀에 영역별(13, 14)로 서로 다른 정도의 결함을 형성시켜 영역별(13, 14)로 전기전도도를 제어하는 방법을 도시한 것으로, 비록, 도 8에서 감광성 물질(20)의 패턴이 제거된 후, 그래핀 전 영역이 산소플라즈마와 재접촉하는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 감광성 물질(20)의 패턴이 제거된 후, 감광성 물질의 재도포, 다른 패턴을 갖는 마스크를 이용한 재노광 및 재현상을 수행하여 다른 감광성 물질의 패턴이 형성된 상태에서 산소플라즈마와 재접촉할 수 있음은 물론이다.
도 8에 도시된 방법은 도 7을 기반으로 상술한 그래핀 채널 트랜지스터와 유사하나, 도 8과 같이 감광성 물질(20)의 패턴을 제거한 후, 다시 산소플라즈마와 접촉하여, 채널의 트랜스컨덕턴스가 제어된 그래핀 채널 트랜지스터가 제조될 수 있다.
도 9 내지 도 10은 금속 배선과 유사하게 단일한 그래핀에 특정한 전하 이동 경로(배선)를 제조할 수 있는 방법을 도시한 것으로, 그래핀(10) 상부에 전하 이동 경로와 유사한 감광성 물질(20)의 패턴을 형성한 후, 감광성 물질(20)의 패턴이 형성된 그래핀을 산소플라즈마와 접촉시켜 절연성 물질과 유사한 전도도를 갖도록 결함을 형성시키고, 감광성 물질(20)의 패턴을 제거하고 그래핀 외부와의 전기적 접속 단자를 제공하는 금속 패드(30)을 형성하여 단일한 그래핀에 정밀한 배선을 형성시킬 수 있다. 도 10은 로-컬럼 디코딩에 사용될 수 있는 배선의 일 예이다.
비록, 도면에 도시하지 않았으나, 도 7 내지 도 10과 유사한 방법을 사용하 여 단일한 그래핀 내에 소정의 저항값을 갖도록 전기적 특성이 제어된 그래핀 저항이 제조될 수 있으며, 산소플라즈마에 의해 생성되는 구조적 결함을 전하 트랩 싸이트(charge trap site)로 갖는 제어된 전하 트랩 싸이트를 갖는 비 휘발성 메모리 소자의 전하 트랩층이 제조될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 전극이 형성된 그래핀의 AFM(Atomic Force Microscopy) 사진이며,
도 2는 플라즈마 인가시간(sec)에 따른 그래핀의 전압-전류를 측정 결과를 도시한 그래프이며,
도 3은 플라즈마 인가시간(sec)에 따른 그래핀의 라만분광 결과를 도시한 그래프이며,
도 4는 산소플라즈마 인가시간 및 전기적 특성 변화에 따른 그래핀의 노이즈 특성의 상관관계를 도시한 도면으로 도 4(a)는 산소플라즈마 인가시간에 따라 1.5 Hz에서 측정된 그래핀의 노말라이즈된 1/f 노이즈 파워를 도시한 것이며, 도 4(b)는 산소플라즈마 인가시간에 따라 측정된 그래핀의 저항과 1.5 Hz에서 측정된 그래핀의 노말라이즈된 1/f 노이즈 파워를 도시한 것이며,
도 5는 산소플라즈마 인가시간에 따른 그래핀의 전도도를 도시한 반 로그 그래프이며,
도 6은 게이트 전극인 P형 기판, 기판 상부에 형성된 게이트 절연막, 절연막 상부에 위치하는 그래핀, 그래핀 상부에 각각 구비된 소스 및 드레인 전극의 구조인 그래핀 트랜지스터의 산소플라즈마 인가시간별 게이트 전압에 따른 그래핀 채널의 전도도를 측정 도시한 것이며,
도 7은 본 발명에 따른 그래핀의 일부 영역의 전기적 특성을 제어하는 방법을 도시한 공정도이며,
도 8은 본 발명에 따른 그래핀 채널의 제조방법을 도시한 다른 공정도이며,
도 9는 본 발명에 따른 그래핀 금속 배선의 제조방법을 도시한 공정도이며,
도 10은 본 발명에 따른 그래핀 금속 배선의 제조방법을 도시한 다른 공정도이다.

Claims (17)

  1. 그래핀(graphene)에 구조적 결함(defect)을 생성하여 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결함은 라만 분광법에서 1300 내지 1400(cm-1) 위치에 픽(peak)을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 결함은 그래핀의 가열, 그래핀과 화학적으로 반응하는 가스와의 접촉, 자외선을 포함하는 광 조사, 초음파의 인가, 또는 플라즈마와의 접촉에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 결함은 산소 플라즈마에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 결함에 의해 그래핀의 전기적 특성이 전도성 내지 절연성으로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 그래핀의 전도도(conductance)는 상기 산소플라즈마의 파워(W), 산소 유량(sccm), 산소플라즈마 생성 압력(Pa) 및 산소플라즈마와 상기 그래핀의 접촉 시간인 플라즈마 인가시간(sec)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 그래핀의 전도도(conductance)는 하기의 관계식 1에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
    (관계식 1)
    G = G0 exp(-At)
    (G는 결함이 생성된 후 그래핀의 전도도(mS)이며, G0는 결함이 생성되기 전 그래핀의 전도도(mS)이며, 상기 A는 상기 산소플라즈마 파워(W), 산소 유량(sccm) 및 산소플라즈마 생성 압력(Pa)에 의해 결정되는 상수이며, 상기 t는 플라즈마 인가시간(sec)이다)
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 A는 0.04 내지 0.06인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 그래핀에 감광성 물질을 도포하고 패턴을 갖는 마스크를 이용하여 노광 및 현상한 후, 상기 산소플라즈마와 접촉하여 상기 현상에 의해 감광성 물질이 제거된 그래핀 영역에 상기 결함을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 저항이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 상기 그래핀에 전류 이동 배선이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 트랜지스터의 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 감광성 물질의 현상 및 상기 산소플라즈마와의 접촉에 의해 전하트랩형 비 휘발성 메모리 소자의 전하 트랩층이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 9항의 방법으로 제조된 그래핀 저항.
  15. 제 9항의 방법으로 제조된 그래핀 도선.
  16. 제 9항의 방법으로 제조된 트랜지스터용 그래핀 채널층.
  17. 제 9항의 방법으로 제조된 전하트랩형 비휘발성 메모리용 그래핀 전하 트랩층.
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