장치, 장치 제조 방법 및 전계 효과 트랜지스터 document_id A220623065822

Physics Today의 최근 논문에서, M. Wilson은 그래핀으로서 알려진 고유한 2차원 응집 물질 시스템(condensed matter system)을 개시하였으며, 이는 벌집 모양의 육방 격자 내에 배열된 탄소 원자의 단일 단원자 두께 시트(one-atom thick sheet)(즉, 단층)이다. 그래핀은 다른 모든 차원의 그래파이트형(graphite-like) 탄소 재료에 있어서의 기본 단위이다. [본 명세서에서 참조로서 인용된 Physics Today의 p.21, "Electrons in Atomically Thin Carbon Sheets Behave like Massless Particles"(2006년 1월)를 참조.] Wilson은 그래핀이 상당히 주목할만한 특성을 가지고 있음을 지적한다. 첫째로, 그래핀은 대기 상태에서 안정적이고, 화학적으로 비활성이며, 결정질이다. 둘째로, 그래핀은 자신의 전기 전도 및 원자가 전자대가 브릴루앙 영역(Brillouin zone) 내에서의 개별적인 항목들을 만족시킨다는 점에서 반금속이다. 셋째로, 그래핀 내의 전자는 0의 유효질량을 갖고 종래의 중량 입자(massive particle)보다 더 포톤과 유사하게 작용한다. 넷째로, 그래핀은 약 108A/㎠의 매우 큰 전류 밀도를 전달할 수 있으며, 이는 구리보다 대략 2배가량 큰 크기이다. 지난 몇 년 동안 과학자들은 자유 상태에서 단일 2D 그래핀 시트를 형성하려는 시도를 해왔다. 예를 들어, 일 그룹은 그래파이트 결정으로부터 약하게 속박된 층들(weakly bound layers)을 떼어내도록 점착성 테이프를 사용하고, 이들 새로운 층들을 산화된 실리콘 표면에 대해 부드럽게 문지른 다음, 미시적인 섀이빙들(macroscopic shavings) 중에서 상대적으로 적은 단층 플레이크(flakes)를 식별하였다. [예를 들어, 본 명세서에서 참조로서 인용되는 K. S. Novoselov 외 다수에 의한 Science지 Vol. 306, p.666 (2004) 참조.] 다른 그룹은 SiC의 표면의 열분해를 통해 전형적으로 3개의 그래핀 시트인 매우 얇은 탄소막을 제조하였다. SiC는 얇은 탄소 막을 남겨두고 표면으로부터 Si를 증발시키도록 충분히 가열된다. [본 명세서에서 참조로서 인용되는 C. Berger 외 다수에 의한 J. Phys. Chem. B, Vol. 108, p.19912 (2004) 참조.] 그러나, Wilson에 따른 그래핀 단일 시트의 성장 방법은, 단층 탄소가 전형적인 제조 프로세스 동안 가열될 때 가장 손상을 입기 쉽다는 문제점을 발생시킨다. 또한, Berger 외 다수가 그들의 탄소 막이 SiC 상에서 "에피택셜 성장"되었다고 기재하였지만, 그들의 프로세스는 실제로는 Si의 증발만을 포함할 뿐, MBE(Molecular Beam Epitaxy) 및 CVD(Chemical Vapor Deposition)와 같은 표준 제조 기술에서의 에피택셜 증착을 기술하는 데에 통상적으로 사용되는 용어인 "성장"을 포함하지는 않는다. 사실, SiC 및 그래파이트는 약 20%의 비교적 큰 격자 부정합(lattice-mismatch)을 가지며, 이것은 전형적으로 SiC 기판 상에 장치에 사용될 만한 품질(device-quality)의 에피택셜 그래파이트 층을 증착하기에는 너무 큰 값이다. 장치 퍼텐셜의 사전 증명에서, Berger 외 다수는 극저온(4K)에서의 광역 게이팅된 그래파이트 채널 FET 구조의 저항 변조는 상당히 작다고(단지 2%) 보고하였으며, 이는 게이트가 게이팅되지 않은 넓은 누설 경로를 남겨두고 소스와 드레인 전극 사이의 그래파이트 막의 일부분만을 커버하기 때문이다. Berger 외 다수의 장치는 2004년 12월 16일 공개된 W. A. DeHeer 외 다수에 의한 미국 특허 출원 제 2005/0253820호에 의해서도 개시된다. 따라서, 적절하게 격자 정합된 기판 상에 에피택셜 증착된 그래핀을 갖는 그래핀-기반의 장치에 대한 필요성이 당업계에 존재한다.