KR101741313B1 - Doping method of graphene based on a supporting layer with ion implantation - Google Patents
Doping method of graphene based on a supporting layer with ion implantationInfo
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Abstract
이온주입법을 이용하여 도펀트 이온을 지지층이 코팅된 그래핀에 주입하고, 도펀트 이온이 주입된 그래핀을 열처리하여 그래핀에 도펀트 이온을 도핑하는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 관한 것으로, 성장된 그래핀에 지지층을 덮어 강한 이온 빔 에너지에 의한 그래핀 층의 손상을 최소화할 수 있고, 도펀트 이온들이 얇은 그래핀을 뚫고 지나가는 것을 차단할 수 있으며, 그래핀 표면에 도펀트 이온들을 최대한 분포시켜 넓은 면적에 균일하게 도핑할 수 있어, 차세대 광전자 소자 및 전자 소자 산업에 도핑된 그래핀의 응용 가능성을 높일 수 있다. A method for doping a support layer-based graphene by ion implantation in which dopant ions are implanted into a graphene layer coated with a support layer by ion implantation and heat treatment is performed on the graphene doped graphene layer to thereby implant dopant ions into the graphene layer It is possible to minimize the damage of the graphene layer due to the strong ion beam energy by covering the supporting layer with the grown graphene, to prevent the dopant ions from passing through the thin graphene, And it is possible to uniformly apply doping to a large area, thereby enhancing the applicability of doped graphene to the next generation optoelectronic devices and electronic device industries.
Description
본 발명은 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온주입법을 이용하여 지지층이 코팅된 그래핀에 도펀트 이온을 주입하고, 이온 주입된 그래핀을 열처리하여 도펀트 이온을 그래핀에 균일하게 도핑하는 방법에 관한 것이다. More particularly, the present invention relates to a method of doping graphene based on a support layer by ion implantation, and more particularly, to a method of doping graphene by ion implantation, To a method for uniformly doping ions into graphene.
그래핀은 이차원 평면에 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양 구조로 이루어져 있고, 여러 가지 우수한 물리적 특성을 포함하고 있어 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.Graphene has a hexagonal honeycomb structure of carbon atoms in a two-dimensional plane, and contains many excellent physical properties.
원자 한 층의 아주 얇은 두께를 가진 그래핀은 매우 우수한 광투과도, 전기전도도, 열전도도, 기계적 강도 및 유연성을 가진 물질로서 차세대 광전자 소자 및 전자 소재 산업에 응용 가능성이 높은 물질로 주목 받고 있다.Graphene, which has a very thin thickness of one atom, is a material with very good light transmittance, electrical conductivity, thermal conductivity, mechanical strength and flexibility, and is attracting attention as a material that is highly applicable to next generation optoelectronic devices and electronic materials industries.
그래핀을 소자에 응용하기 위해서 그래핀이 가진 우수한 물리적 특성들을 조절하는 것이 중요하고, 물리적 특성을 조절하기 위한 여러 가지 방법들이 제시되고 있다.In order to apply graphene to devices, it is important to control the excellent physical properties of graphene, and various methods for controlling physical properties are suggested.
그 중에서 그래핀에 도펀트를 첨가하여 전기적 및 광학적 특성의 조절이 가능하고, 페르미 준위(Fermi level)를 이동시키는 도핑 방법이 주로 사용되고 있다. Among them, a doping method which can control the electrical and optical characteristics by adding a dopant to graphene and moves the Fermi level is mainly used.
현재 실리콘이 주력인 반도체 산업에서 많이 사용하는 이온주입법은 도펀트 이온을 반도체에 직접 주입하는 방법으로서, 도핑 방법 중 다른 방법보다 넓은 면적에 도펀트를 균일하게 분포시킬 수 있고, 도펀트의 양을 정확하게 제어하는 것이 가능하여 생산성이 높다는 장점이 있다. The ion implantation method, which is currently used in the semiconductor industry, which is a mainstay of silicon, is a method of directly injecting dopant ions into a semiconductor, which can uniformly distribute the dopant over a wider area than other methods of doping and accurately control the amount of dopant It is advantageous that the productivity is high.
그러나, 종래의 반도체 산업에서 사용하던 이온주입법을 이용한 도핑방법을 그래핀에 적용하는 경우, 강한 이온 빔 에너지에 의하여 그래핀 층이 손상되어 많은 결함이 생성되거나, 도펀트 이온들이 얇은 그래핀층을 투과하여 도펀트의 양을 정확하게 제어하기 힘든 문제점이 있었다.However, when the doping method using the ion implantation method used in the conventional semiconductor industry is applied to graphene, the graphene layer is damaged by a strong ion beam energy and many defects are generated, or the dopant ions are transmitted through the thin graphene layer It is difficult to accurately control the amount of the dopant.
본 발명은 성장된 그래핀에 지지층을 덮어 강한 이온 빔 에너지에 의한 그래핀 층의 손상을 최소화할 수 있는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a support layer-based graphene doping method by ion implantation that can minimize the damage of the graphene layer due to the strong ion beam energy by covering the support layer with the grown graphene.
또한, 본 발명은 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트 이온을 주입하여 도펀트 이온들이 얇은 그래핀을 투과하는 것을 차단할 수 있고, 도펀트 이온의 양을 정확하게 제어할 수 있는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention can prevent the dopant ions from penetrating through the thin graphene by injecting dopant ions into the graphene in which the support layer is formed, and can prevent the graphene-based graphene through ion implantation to precisely control the amount of dopant ions. Thereby providing a doping method.
또한, 본 발명은 그래핀 표면에 도펀트 이온들을 최대한 분포시켜 넓은 면적에 균일하게 도핑할 수 있는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a supporting layer-based graphene doping method by ion implantation which can uniformly dope a large area by distributing dopant ions as much as possible on the graphene surface.
또한, 본 발명은 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트 이온을 주입한 p형 그래핀을 제작할 수 있는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 제공하고자 한다. The present invention also provides a support layer-based graphene doping method through ion implantation which can form p-type graphenes in which dopant ions are implanted into graphenes formed with support layers.
본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 금속 촉매층 상에 형성된 그래핀을 성장시키고, 상기 성장된 그래핀에 유전체(dielectric material)로 구성되는 지지층을 형성하는 단계, 상기 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트를 이온주입하는 단계, 상기 이온주입된 그래핀을 기판으로 전사하는 단계 및 상기 전사된 그래핀에 대한 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함한다. A method of doping graphene on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention includes growing graphene formed on a metal catalyst layer and forming a support layer composed of a dielectric material on the grown graphene Implanting a dopant into the graphene having the support layer formed thereon, transferring the ion implanted graphene to a substrate, and performing a heat treatment process on the transferred graphene.
상기 열처리 공정이 수행된 후의 그래핀에 포함된 도펀트 농도는 상기 열처리 공정의 수행 이전의 그래핀에 포함된 도펀트의 농도 대비 10배 내지 13배의 범위로 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.The dopant concentration in the graphene after the heat treatment process is performed may be increased to 10 to 13 times the concentration of the dopant contained in the graphene before the heat treatment process.
도펀트를 이온주입하는 상기 단계는 붕소 이온을 도펀트로 하여 35keV의 이온주입에너지로, 도즈량은 1x1010/cm2 내지 50x1010/cm2 범위로 이온주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.The step of ion implanting a dopant is a ion implantation energy of 35keV and a boron ion as a dopant, the dose amount is 1x10 10 / cm 2 to about 50x10 10 / cm 2 Ion implantation can be performed.
상기 도펀트의 농도의 증가에 따라 상기 열처리 공정이 수행된 그래핀의 캐리어(carrier)에 대한 이동도(mobility)는 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.And the mobility of the graphene on which the heat treatment process is carried out with respect to the carrier increases with an increase in the concentration of the dopant.
본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 열처리 공정을 수행하는 단계에서 지지층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.The method of doping a graft layer based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention may include removing a support layer in a step of performing a heat treatment process.
상기 유전체는 폴리비닐 피롤리돈(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 및 포토아크릴(Photoacryl)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.The dielectric may be at least one selected from the group consisting of polyvinyl pyrrolidone (PVP), polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinyl alcohol (PVA), and photoacryl . ≪ / RTI >
본 발명의 실시예에 따르면, 성장된 그래핀에 지지층을 덮어 강한 이온 빔 에너지에 의한 그래핀 층의 손상을 최소화할 수 있다.According to embodiments of the present invention, it is possible to minimize the damage of the graphene layer due to the strong ion beam energy by covering the supporting layer with the grown graphene.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트 이온을 주입하여 도펀트 이온들이 얇은 그래핀을 투과하는 것을 차단할 수 있고, 도펀트 이온의 양을 정확하게 제어할 수 있다. In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent dopant ions from penetrating thin graphene by injecting dopant ions into the graphene formed with the support layer, and to accurately control the amount of dopant ions.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 그래핀 표면에 도펀트 이온들을 최대한 분포시켜 넓은 면적에 균일하게 도핑할 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, dopant ions can be uniformly distributed over a large area by distributing dopant ions as much as possible on the surface of graphene.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트 이온을 주입한 p형 그래핀을 제작할 수 있다. Also, according to the embodiment of the present invention, p-type graphene in which dopant ions are implanted into graphene in which a supporting layer is formed can be produced.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 이용하여 열처리 공정 전 후의 그래핀에 도핑된 붕소의 양을 측정한 그래프이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 통하여 도핑 처리된 그래핀의 표면 입자의 변화를 측정한 원자힘 현미경(AFM)의 이미지를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 통하여 붕소 이온 주입에 따른 도핑 처리된 그래핀의 표면 전위의 변화를 측정한 전기력 현미경(EFM)의 이미지를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법의 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀에 대한 표면 전위와 거칠기를 분석한 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 도핑 처리된 그래핀에 대한 붕소 이온 주입량에 따른 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 의한 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀에 대한 면저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 도핑 처리된 그래핀을 기반으로 하는 전계 효과 트랜지스터(FET)에 대한 특성을 분석한 그래프를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 도시한 흐름도이다.FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating a support layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the amount of boron doped in graphene before and after a heat treatment process by using a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3D illustrate an image of an atomic force microscope (AFM) measuring the change of surface grains of a doped graphene through doping of graphene based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention. It is.
FIGS. 4A to 4D are graphs showing an electric force microscope (EFM) for measuring the change of the surface potential of the doped graphene by boron ion implantation through the graft doping method based on the support layer through the ion implantation according to the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a graph illustrating surface potential and roughness of graphene according to the amount of boron ions implanted in a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a Raman spectrum according to a doping amount of boron ions to a graphene doped according to a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing changes in sheet resistance with respect to graphene according to a boron ion implantation amount by a doping method of graphenes based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 8 to 10 are graphs illustrating characteristics of graphene-based field effect transistors (FETs) doped according to a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention Respectively.
11 is a flowchart illustrating a method of doping a graft layer based on a support layer by ion implantation according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification are intended to be inclusive in a manner similar to the components, steps, operations, and / Or additions.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, the terms "embodiment," "example," "side," "example," and the like should be construed as advantageous or advantageous over any other aspect or design It does not.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다. Also, the term 'or' implies an inclusive or 'inclusive' rather than an exclusive or 'exclusive'. That is, unless expressly stated otherwise or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the phrase "a" or "an ", as used in the specification and claims, unless the context clearly dictates otherwise, or to the singular form, .
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Furthermore, the terms first, second, etc. used in the specification and claims may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The terminology used herein is a term used for appropriately expressing an embodiment of the present invention, which may vary depending on the user, the intent of the operator, or the practice of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating a support layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 금속 촉매층(140) 상에 형성된 그래핀(120)을 성장시키고, 성장된 그래핀(120)에 유전체(dielectric material)로 구성되는 지지층(130)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a support layer-based graphene doping method according to an embodiment of the present invention includes growing a
금속 촉매층(140)은 금속 촉매 물질인 구리 포일(Cu foil)로 형성된 기판일 수 있다. 또한, 금속 촉매 물질은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 철(Fe), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 플래티늄(Pt) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The
금속 촉매층(140)은 선정된 기판 상에 금속 촉매 물질을 스퍼터링(sputtering) 장치나 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator) 등을 이용하여 기판에 증착함으로써 제조될 수 있다. The
그래핀(120)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 금속 촉매층(140) 상에 성장될 수 있다. The
화학기상증착법을 이용한 그래핀 제조는 촉매층으로 활용할 구리(또는 니켈)를 기판 위에 증착하고, 고온에서 메탄 및 수소의 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착되도록 하고, 냉각을 하여 촉매층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 금속 위에 형성한다. In the production of graphene by chemical vapor deposition, copper (or nickel) to be used as a catalyst layer is deposited on a substrate and reacted with a mixed gas of methane and hydrogen at a high temperature to allow an appropriate amount of carbon to be dissolved or adsorbed in the catalyst layer, The carbon atoms contained in the catalyst layer are crystallized on the surface to form a graphene crystal structure on the metal.
이후, 합성된 그래핀 박막에서 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 그래핀을 제조할 수 있다.Thereafter, the catalyst layer is removed from the synthesized graphene thin film to separate graphene from the substrate.
이후, 폴리메타크릴산메틸(Poly(methyl methacrylate) 및 벤젠을 혼합한 PMMA를 합성된 그래핀 위에 스핀-코팅하는데, PMMA의 코팅을 통하여 PMMA가 과황산암모늄(ammonium persulfate) 용액을 사용하여 구리 호일을 제거할 때 그래핀을 잡아서 고정시키는 역할을 하도록 할 수 있다. Thereafter, PMMA mixed with poly (methyl methacrylate) and benzene was spin-coated on the synthesized graphene. PMMA was coated on the graphene by using a solution of ammonium persulfate (PMMA) The graphene can be gripped and fixed when it is removed.
이후, 과황산암모늄 용액에 구리 호일을 제거한 후, 그래핀 상에 잔존하는 과황산암모늄 용액을 초순수(DI water)로 세척하고, 세척된 그래핀을 금속 촉매층(140) 상에 전사하여 그래핀(120)을 형성할 수 있다.Thereafter, the copper foil is removed from the ammonium persulfate solution, the ammonium persulfate solution remaining on the graphene is washed with DI water, and the washed graphene is transferred onto the
다시 도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 금속 촉매층(140)의 표면에 성장된 그래핀(120)에 유전체로 구성되는 지지층(130)을 형성한다. 1A, a support layer-based graphene doping method using ion implantation according to an embodiment of the present invention includes a support layer 130 (see FIG. 1A) formed of a dielectric material on a
상기 유전체는 폴리비닐 피롤리돈(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 및 포토아크릴(Photoacryl)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.The dielectric may be at least one selected from the group consisting of polyvinyl pyrrolidone (PVP), polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinyl alcohol (PVA), and photoacryl .
또한, 지지층(130)은 그래핀(120) 상에 스핀코팅(spincoating)을 통하여 약 300nm 두께로 형성될 수 있다.In addition, the
도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 지지층(130)이 형성된 그래핀(120)에 도펀트(110)를 이온주입한다.Referring to FIG. 1B, in the method of doping graphene based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention, a
예를 들어, 지지층(130)이 형성된 그래핀(120)에 P형 그래핀의 제작을 위하여 붕소(B) 이온을 도펀트(110)로 하여 35keV의 이온주입에너지로, 도즈량은 1x1010/cm2 내지 50x1010/cm2 범위로 이온주입할 수 있다. For example, a boron (B) ion is doped into a
실시예에 따라서, 도펀트(110)는 붕소(B), 비소(As) 및 인(P) 중 적어도 어느 하나의 이온을 포함할 수 있다. According to the embodiment, the
도 1c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 이온주입된 그래핀(120)을 기판(150)으로 전사한다.Referring to FIG. 1C, a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention transfers an ion implanted
예를 들어, 지지층(130)이 올라간 그래핀(120)을 기판(150)으로 전사시키기 위해, 금속 촉매층 상에 이온주입된 그래핀(120)을 식각 용액에 담구어 금속 촉매층을 제거하는 습식 전사법(Wet Transferring)이 사용될 수 있다.For example, in order to transfer the
상기 식각 용액은 염화제이철(FeCl3) 용액이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 철, 알루미늄 계열(예컨대, 염화알루미늄(AlCl3))의 식각 용액이 사용될 수 있으며, 불산, 질산, 염산, 초산, 시트르산, 글루타르산, 글리콜산, 포름산, 락트산, 말산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산 및 프로피온 산 등을 포함하는 유기산 용액이 식각 용액으로 사용될 수도 있다. The etching solution may be a solution of ferric chloride (FeCl 3 ), but not always limited thereto. An etching solution of iron or aluminum (for example, aluminum chloride (AlCl 3 )) may be used. An organic acid solution including acetic acid, citric acid, glutaric acid, glycolic acid, formic acid, lactic acid, malic acid, maleic acid, oxalic acid, phthalic acid, succinic acid, tartaric acid and propionic acid may be used as an etching solution.
실시예에 따라서, 금속 촉매층 상에 이온주입된 그래핀(120)에 식각 용액을 처리하는 시간은 5시간 내지 12 시간을 처리할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니며, 충분히 금속이 식각될 수 있는 시간이면 가능하다. According to the embodiment, the time for treating the etching solution to the
금속 촉매층을 제거한 후, 지지층(130) 및 도펀트(110) 이온이 주입된 그래핀(120)이 남게 되며, 그래핀(120)을 원하는 기판(150)에 전사시킬 수 있다. After the metal catalyst layer is removed, the
기판(150)은 실리콘(Si) 표면에 이산화규소(SiO2) 층이 형성된 SiO2/Si 기판을 사용할 수 있으나 반드시 이에 한정되지는 않는다. The
실시예에 따라서, 기판(150)은 실리콘 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판 등의 강성 기판이거나, 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PolyEthylene Napthalate, PEN), 폴리 메틸메타크릴레이트(Poly Methyl MethAcrylate, PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate, PC), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에스테르(Polyester) 등의 가용성 플라스틱 기판일 수 있다.The
또한, 실시예에 따라서, 기판(150)은 이산화 실리콘 층으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, SiON, ZrO2, ZrSiO, ZrLaO, ZrAlO, ZrSiON, ZrLaON, ZrAlON, LaLuO, LaLuON 및 하프늄 기반의 재료로 구성된 기판이 사용될 수 있고, 기판(150)은 300nm의 두께일 수 있다. Further, according to the embodiment, the
도 1d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 기판(150)에 전사된 그래핀(120)에 대한 열처리 공정을 수행한다.Referring to FIG. 1D, a support layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention performs a heat treatment process on the
본 발명의 그래핀의 도핑 방법의 열처리 공정을 통하여 도펀트(110)가 주입된 그래핀(120)에서의 도펀트(110)를 확산시킬 수 있다. The
실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing)을 통해 열처리할 수 있으나, 이에 한정하지 않고 다양한 열처리 방식을 이용할 수 있다.According to the embodiment, the supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to the embodiment of the present invention can be heat-treated through rapid thermal annealing, but not limited thereto, various heat-treating methods can be used .
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 진공 분위기에서 다양한 온도 범위로 열처리할 수 있으나, 반드시 진공 조건에서 열처리 하는 것에 한정되는 것은 아니며, 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 하에서도 열처리하는 것이 가능할 수 있다. The graphene doping method based on the support layer through ion implantation according to the embodiment of the present invention can be performed in various temperature ranges in a vacuum atmosphere, but it is not limited to heat treatment under vacuum conditions, and nitrogen, argon It may be possible to perform the heat treatment under an inert gas of < RTI ID = 0.0 >
또한, 일반적으로 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법의 열처리 온도는 700 내지 1500℃의 범위에서 열처리할 수 있고, 보다 바람직하게는 900 내지 1100℃의 범위에서 열처리할 수 있다.In general, the heat treatment temperature of the support layer-based graphene doping method through ion implantation according to the embodiment of the present invention can be heat-treated in the range of 700 to 1500 ° C, more preferably in the range of 900 to 1100 ° C Heat treatment can be performed.
본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 열처리 공정을 통하여 도펀트(110) 이온주입에 의해 발생된 그래핀(120)의 격자 손상을 회복시킬 수 있고, 그래핀(120) 상의 도펀트(110)를 활성화시킬 수 있으며, 그래핀(120) 표면에 도펀트(110)를 최대한 분포시켜 넓은 면적에 균일하게 도핑할 수 있다. The supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to the embodiment of the present invention can recover the lattice damage of the
후술하는 바와 같이 열처리 공정이 수행된 후의 그래핀(120)에 포함된 도펀트(110) 농도는 열처리 공정의 수행 이전의 그래핀(120)에 포함된 도펀트(110)의 농도 대비 10배 내지 13배의 범위로 증가할 수 있다.The concentration of the
또한, 도펀트(110)의 농도의 증가에 따라 열처리 공정이 수행된 그래핀(120)의 캐리어(carrier)에 대한 이동도(mobility)는 증가할 수 있다.Also, as the concentration of the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 열처리 공정 수행 이후, 지지층(130)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 지지층(130)이 PMMA 물질로 구성된 경우, 아세톤을 이용하여 제거할 수 있다.
In addition, the support layer-based graphene doping method through ion implantation according to the embodiment of the present invention can remove the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 이용하여 열처리 공정 전 후의 그래핀에 도핑된 붕소의 양을 측정한 그래프이다. FIG. 2 is a graph showing the amount of boron doped in graphene before and after a heat treatment process by using a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
보다 구체적으로는 도 2에 도시된 그래프는 습식 전사법을 이용하여 붕소를 도펀트로 하여 이온 주입된 그래핀을 300nm 두께의 SiO2/Si 기판에 전사시킨 후 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS)를 이용하여 열처리 공정 전 후의 붕소 이온의 양을 측정한 것이다.More specifically, the graph shown in FIG. 2 is obtained by transferring graphene doped with boron as a dopant to a 300 nm thick SiO 2 / Si substrate using a wet transfer method, and then performing secondary ion mass spectrometry SIMS) was used to measure the amount of boron ions before and after the heat treatment process.
도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법의 열처리 공정 전에는 붕소 이온이 약 1.5x102 개가 측정되었고, 열처리 공정 후에는 붕소 이온이 약 1.9x103 개가 측정되어, 열처리 공정 후에 붕소 이온이 열처리 공정 전 대비 13배 정도 증가한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , about 1.5 × 10 2 boron ions were measured before the annealing process of the support layer-based graphene doping method through the ion implantation according to the embodiment of the present invention. After the annealing process, 3 were measured, and it was confirmed that the boron ion increased by 13 times as compared with that before the heat treatment process after the heat treatment process.
본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법의 열처리 공정을 통하여 그래핀의 지지층에 있는 붕소 이온들이 그래핀으로 효율적으로 도핑되었음을 확인할 수 있다.
It can be confirmed that the boron ions in the support layer of graphene are efficiently doped into the graphene through the heat treatment process of the graphene-based doping method based on the support layer through the ion implantation according to the embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 통하여 도핑 처리된 그래핀의 표면 입자의 변화를 측정한 원자힘 현미경(AFM)의 이미지를 도시한 것이다.FIGS. 3A to 3D illustrate an image of an atomic force microscope (AFM) measuring the change of surface grains of a doped graphene through doping of graphene based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention. It is.
보다 상세하게는 도 3a 내지 도 3d는 붕소 이온 주입 농도 별로 주입된 그래핀을 SiO2/Si 기판에 전사시킨 후, 원자힘 현미경(AFM)을 이용하여 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀의 표면 변화를 분석한 이미지로, 단위 면적당 붕소 이온 주입량의 증가에 대응하는 그래핀의 표면 입자의 변화를 도시한 것이다. More specifically, FIG. 3A to FIG. 3D are graphs showing changes in the surface change of graphene according to the amount of boron ions implanted using an atomic force microscope (AFM) after transferring graphene injected for each boron ion implantation concentration to a SiO 2 / Si substrate The graph shows the change of graphene surface particles corresponding to the increase of the boron ion implantation amount per unit area in the analyzed image.
도 3a는 붕소 이온이 주입되지 않았을 때의 그래핀의 표면 입자의 이미지이고, 도 3b는 붕소 이온 주입 농도가 1x1010cm- 2 인 경우, 도 3c는 붕소 이온 주입 농도가 5x1010cm- 2 인 경우, 도 3d는 붕소 이온 주입 농도가 50x1010cm- 2 인 경우를 도시한 그래핀의 표면 입자의 이미지를 도시한 것이다. Figure 3a is a yes image of the surface particles of the pin at which the boron ion is not implanted, Figure 3b is a boron ion implantation concentration 1x10 10 cm - if the second, Figure 3c is a boron ion implantation concentration 5x10 10 cm - 2 If, Figure 3d is a boron ion implantation concentration 50x10 cm 10 - shows an image of a particle surface So of the pin shows a case where two.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 붕소 이온이 그래핀에 주입된 후, 그래핀 표면에 아주 작은 입자들이 생겨나는 것을 확인할 수 있고, 붕소 이온의 주입량이 증가할수록 그래핀 표면의 거칠기가 점점 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 그래핀의 표면 변화에 의해 그래핀에 주입된 붕소 이온의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
3A to 3D, it can be seen that very small particles are generated on the surface of the graphene after the boron ions are injected into the graphene, and as the amount of boron ions to be implanted increases, the roughness of the graphene surface gradually increases . That is, it can be confirmed that the amount of boron ions implanted into the graphene is increased by the surface change of graphene.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 통하여 붕소 이온 주입에 따른 도핑 처리된 그래핀의 표면 전위의 변화를 측정한 전기력 현미경(EFM)의 이미지를 도시한 것이다. FIGS. 4A to 4D are graphs showing an electric force microscope (EFM) for measuring the change of the surface potential of the doped graphene by boron ion implantation through the graft doping method based on the support layer through the ion implantation according to the embodiment of the present invention. FIG.
보다 상세하게는 도 4a 내지 도 4d는 붕소 이온이 주입된 그래핀을 SiO2/Si 기판에 전사시킨 후의 전기력 현미경(Electric Force Microscopy, EFM)을 이용하여 단위 면적당 붕소 이온량의 증가에 대응하는 그래핀의 표면 전위 변화를 도시한 것이다. More specifically, FIGS. 4A to 4D illustrate graphite (graphene) grains corresponding to an increase in the amount of boron ions per unit area by using an electric force microscope (EFM) after transferring graphene impregnated with boron ions to a SiO 2 / Si substrate. Of the surface potential.
도 4a는 붕소 이온이 주입되지 않았을 때의 그래핀의 표면 전위의 이미지이고, 도 4b는 붕소 이온 주입 농도가 1x1010cm- 2 인 경우, 도 4c는 붕소 이온 주입 농도가 5x1010cm- 2 인 경우, 도 4d는 붕소 이온 주입 농도가 50x1010cm- 2 인 경우를 도시한 그래핀의 표면 전위의 이미지를 도시한 것이다.Figure 4a is a yes image of the surface potential of the pin at which the boron ion is not implanted, Figure 4b is a boron ion implantation concentration 1x10 10 cm - if the second, Figure 4c is a boron ion implantation concentration 5x10 10 cm - 2 4D shows an image of the surface potential of graphene showing a case where the boron ion implantation concentration is 50x10 < 10 > cm <& quot ; 2 & gt ;.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 즉, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 통하여 그래핀 상의 늘어난 전하들에 의한 도핑효과에 의하여, 그래핀 표면에는 붕소 이온의 주입 전과는 다른 표면 전위가 나타나며, 붕소 이온 주입량이 증가할수록 표면 전위가 증가하고, 증가된 면적 역시 늘어남을 확인할 수 있다.
Referring to FIGS. 4A to 4D, by the doping effect by the extended charges on the graphene through the supporting layer-based graphene doping method through the ion implantation according to the embodiment of the present invention, The surface potential is different from that before ion implantation. As the boron ion implantation amount increases, the surface potential increases and the increased area also increases.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법의 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀에 대한 표면 전위와 거칠기를 분석한 그래프를 도시한 것이다. FIG. 5 is a graph illustrating surface potential and roughness of graphene according to the amount of boron ions implanted in a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는 도 5는 붕소 이온 주입량에 따른 원자힘 현미경(AFM)을 이용하여 측정한 이미지와 전기력 현미경(EFM)을 이용하여 측정한 이미지를 분석하여 도출된 그래핀 표면 전위 및 거칠기를 분석한 그래프이다.More specifically, FIG. 5 shows an image obtained by using an atomic force microscope (AFM) and an electron microscope (EFM) according to a boron ion implantation amount and analyzing the graphene surface potential and roughness Graph.
도 5를 참조하면, 붕소 이온이 주입이 되지 않은 그래핀의 표면 전하(Potential)는 약 30mV이나, 아직 완벽히 제거 되지 않은 지지층(PMMA) 입자들에 의해 거칠기(Roughness)는 약 3.149nm 로서, 다소 높은 편임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, the surface potential of the graphene not doped with boron ions is about 30 mV, but the roughness of the graphene is about 3.149 nm due to the PMMA particles which have not yet been completely removed, It can be confirmed that it is high.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 붕소 이온의 주입량이 증가할수록 그래핀의 표면 전위와 거칠기는 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 늘어난 전하들에 의한 도핑효과에 의한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 그래핀에 대한 효과적인 도핑이 이루어짐을 확인할 수 있다.
Also, as shown in FIG. 5, the surface potential and roughness of the graphene increase as the amount of boron ions injected increases. This is due to the doping effect by the increased charges, and it can be confirmed that the graphene is effectively doped according to the supporting layer-based graphene doping method through the ion implantation according to the embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 도핑 처리된 그래핀에 대한 붕소 이온 주입량에 따른 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 도시한 그래프이다. FIG. 6 is a graph showing a Raman spectrum according to a doping amount of boron ions to a graphene doped according to a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
보다 상세하게는 도 6은 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀의 라만 G 피크 위치(G peak position) 및 2D 피크 위치(2D peak position)를 종합한 것으로, 붕소 이온 주입량이 증가할수록 G 피크의 위치가 높은 방향으로 증가한다.More specifically, FIG. 6 shows the R peak peak position and the 2D peak position of graphene in accordance with the amount of boron ions implanted. As the boron ion implantation amount increases, the peak position of G peak is higher Direction.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 도핑 처리된 그래핀에서 강한 전자-포논 결합(phonon coupling)으로 인한 다양한 라만 피크(Raman peak)들이 관찰됨을 확인할 수 있다. 또한, 1580cm-1 부근의 G 피크와 2690 cm-1 부근의 2D 피크는 포논과 관련된 것임을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 6, according to the doping method of the graft layer based on the support layer through the ion implantation according to the embodiment of the present invention, various doped graphene grains have various Raman peaks due to strong electron-phonon coupling Raman peaks were observed. In addition, 2D peak of the G peak near 2690 cm -1 in the vicinity of 1580cm -1 can be found that related to the phonon.
본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 도핑 처리된 그래핀에 대한 라만 피크의 변화는 이온 주입량이 증가함에 따라 변화되는 그래핀의 전자 구조에 의해 점차적으로 라만 산란 에너지가 증가하는 것임을 확인할 수 있다. According to the doping method of the graphene based on the support layer through the ion implantation according to the embodiment of the present invention, the change of the Raman peak with respect to the graphene doped is gradually increased by the electronic structure of the graphene It can be confirmed that the Raman scattering energy is increased.
도 6을 참조하면, 붕소 이온 농도가 0.5x1010cm-2으로 도핑 처리된 그래핀에 대한 라만 피크 점이 ε(%)의 스트레인(strain) 방향으로 크게 이동한 후, 그 이상의 붕소 이온의 농도에서는 약간씩 더 이동하는 것을 알 수 있고(50x1010cm-2에서는 다소 감소), 붕소 이온의 농도에 비례해서 라만 피크 점은 p-type으로 기재된 방향으로 매우 뚜렷하게 이동하고 있음을 확인할 수 있다. 6, after the Raman peak point for graphene doped with a boron ion concentration of 0.5x10 < 10 & gt ; cm & lt ; " 2 & gt ; largely shifts in the strain direction of? (%), (Slightly decreased at 50 × 10 10 cm -2 ), and the Raman peak point moves very clearly in the direction described by the p-type in proportion to the concentration of boron ions.
또한, 라만 피크의 p-type 방향으로의 이동은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 의해서 실질적인 그래핀 도핑이 이루어지고 있음을 의미하며, 스트레인(strain) 방향의 이동은 도 10에서 설명할 이동도의 증가와 관련이 있다.In addition, the movement of the Raman peak in the p-type direction means that graphene doping is performed by the grafting method based on the support layer through ion implantation according to the embodiment of the present invention, The movement in the direction is related to the increase in mobility described in FIG.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 의한 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀에 대한 면저항 변화를 도시한 그래프이다.7 is a graph showing changes in sheet resistance with respect to graphene according to a boron ion implantation amount by a doping method of graphenes based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 이온주입이 되지 않은 순수한 그래핀의 면저항은 952Ω/sq이며, 붕소 이온 주입량이 많아질수록 면저항은 최대 516Ω/sq까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, the sheet resistance of the pure graphene without ion implantation is 952? / Sq, and the sheet resistance is reduced to 516? / Sq as the boron ion implantation amount is increased.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 통하여 도핑된 그래핀은 화학적인 도핑법에 비해 향상된 특성을 나타내며, 그래핀 도핑의 안정성 향상에 기여함을 확인할 수 있다.
That is, through the doping method of graphene based on the support layer through the ion implantation according to the embodiment of the present invention, it is confirmed that the doped graphene exhibits improved characteristics as compared with the chemical doping method and contributes to the improvement of the stability of graphene doping .
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 따라 도핑 처리된 그래핀을 기반으로 하는 전계 효과 트랜지스터(FET)에 대한 특성을 분석한 그래프를 도시한 것이다.FIGS. 8 to 10 are graphs illustrating characteristics of graphene-based field effect transistors (FETs) doped according to a supporting layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention Respectively.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법에 의한 붕소 이온 주입량에 따른 그래핀 기반 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)의 전류-전압 곡선을 도시한 것이고, 도 9는 붕소 이온 주입량에 따른 전하 운반자의 농도 변화를 도시한 것이며, 도 10은 붕소 이온 주입량에 따른 전하의 이동도를 도시한 그래프이다.8 is a graph showing a current-voltage curve of a graphene field effect transistor (FET) according to a boron ion implantation amount by a doping method of graphene based on a support layer through ion implantation according to an embodiment of the present invention FIG. 9 shows a change in the concentration of the charge carrier depending on the amount of boron ions implanted, and FIG. 10 is a graph showing the mobility of charges according to the amount of boron ions implanted.
도 8을 참조하면, 붕소 이온의 이온주입이 되지 않은 그래핀의 경우, 전류 최저점(디락점)이 0V 근처에 위치하고 있으며, 붕소 이온 주입량이 많아질수록 양의 게이트 전압 쪽으로 이동하여 최대 36.25V까지 증가한 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, in the case of graphene in which boron ions are not ion-implanted, the lowest current (delak point) is located near 0 V, and as the boron ion implantation amount increases, .
도 9를 참조하면, 붕소 이온 주입량에 따른 전하 운반자의 농도 변화는 이온 주입량이 증가할수록 전하 운반자의 농도도 같이 증가하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the concentration change of the charge carrier according to the boron ion implantation amount increases as the ion implantation amount increases.
도 10은 도 8에 도시된 전류-전압 곡선을 분석하여 도출된 전하의 이동도(mobility)를 붕소 이온 주입량에 따라 분석한 것으로서, 도 10을 참조하면, 붕소 이온이 주입된 그래핀의 정공(Hole) 및 전하(Electron)의 이동도는 붕소 이온이 주입되지 않은 순수한 그래핀의 정공 및 전하의 이동도 보다 낮아졌지만, 붕소 이온 주입량이 증가할수록 그래핀의 정공 및 전하의 이동도는 같이 증가하는 것을 확인할 수 있다. FIG. 10 is a graph showing the mobility of charges derived by analyzing the current-voltage curve shown in FIG. 8 according to the amount of boron ions implanted. Referring to FIG. 10, the holes of the graphenes implanted with boron Hole and electron mobility were lower than that of pure graphene without boron ion implantation but the hole mobility and graft mobility of graphene increased as the boron ion implantation amount increased .
도 10의 그래핀의 정공 및 전하의 이동도의 증가 현상은 그래핀의 스트레인과 그래핀의 전자구조와의 상관관계에 대한 기존 연구결과를 참조하여 도 6에서 설명한 바와 같이, 이온주입 농도의 증가에 따른 스트레인의 증가와 밀접한 연관이 있는 것으로 해석할 수 있다.
The phenomenon of increase in the mobility of holes and charges in the graphene of FIG. 10 refers to the relationship between the strain of graphene and the electronic structure of graphene, and as described in FIG. 6, And the increase of strain according to the increase of the strain.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법을 도시한 흐름도이다.11 is a flowchart illustrating a method of doping a graft layer based on a support layer by ion implantation according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 단계 210에서 금속 촉매층 상에 형성된 그래핀을 성장시키고, 성장된 그래핀에 유전체로 구성되는 지지층을 형성한다.Referring to FIG. 11, in
단계 210은 금속 촉매 물질인 구리 포일(Cu foil)로 형성된 기판을 금속 촉매층으로 사용하는 단계일 수 있다. 또한, 금속 촉매 물질은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 철(Fe), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 플래티늄(Pt) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.Step 210 may be a step of using a substrate formed of a copper foil (Cu foil) as a metal catalyst material as a metal catalyst layer. The metal catalyst material may be at least one of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), iron (Fe), zinc (Zn), ruthenium (Ru) .
단계 210은 화학기상증착법에 의해 금속 촉매층 상에 그래핀을 성장시키는 단계일 수 있다. 예를 들면, 단계 210은 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 주입하는 화학기상증착법에 의해 금속 촉매층 표면에 그래핀을 코팅하는 단계일 수 있다. Step 210 may be a step of growing graphene on the metal catalyst layer by chemical vapor deposition. For example, step 210 may be a step of coating the surface of the metal catalyst layer with graphene by a chemical vapor deposition method of injecting a reaction gas containing a carbon source.
단계 210에서 금속 촉매층의 표면에 성장된 그래핀에 유전체로 구성되는 지지층을 형성한다. 상기 유전체는 폴리비닐 피롤리돈(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 및 포토아크릴(Photoacryl)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.In
실시예에 따라서, 단계 210은 그래핀 상에 스핀코팅(spincoating)하여 지지층을 형성하는 단계일 수 있으며, 지지층은 약 300nm 두께로 코팅될 수 있다. According to an embodiment, step 210 may be a step of spin coating on the graphene to form a support layer, and the support layer may be coated to a thickness of about 300 nm.
단계 220에서 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트를 이온주입한다.In
단계 220은 지지층이 형성된 그래핀에 붕소(B) 이온을 도펀트로 하여 35keV의 이온주입에너지로, 도즈량은 1x1010/cm2 내지 50x1010/cm2 범위로 이온주입하는 단계일 수 있다.In the
실시예에 따라서, 도펀트는 붕소(B), 비소(As) 및 인(P) 중 적어도 어느 하나의 이온을 포함할 수 있다. According to the embodiment, the dopant may include ions of at least one of boron (B), arsenic (As) and phosphorus (P).
단계 230에서 이온주입된 그래핀을 기판으로 전사한다.In
단계 230은 지지층이 올라간 그래핀을 기판으로 전사시키기 위해, 식각 용액에 담구어 금속 촉매층을 제거하는 습식 전사법을 이용하는 단계일 수 있다.Step 230 may be a wet-transfer process that removes the metal catalyst layer by immersing the etch solution in order to transfer the graphene on which the support layer is transferred to the substrate.
실시예에 따라서, 상기 식각 용액은 염화제이철(FeCl3) 용액이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 철, 알루미늄 계열(예컨대, 염화알루미늄(AlCl3))의 식각 용액이 사용될 수 있으며, 불산, 질산, 염산, 초산, 시트르산, 글루타르산, 글리콜산, 포름산, 락트산, 말산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산 및 프로피온 산 등을 포함하는 유기산 용액이 식각 용액으로 사용될 수도 있다. According to the embodiment, the etching solution may be a ferric chloride (FeCl 3 ) solution, but not always limited thereto, and an etching solution of iron, aluminum (for example, aluminum chloride (AlCl 3 ) An organic acid solution including hydrofluoric acid, nitric acid, hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, glutaric acid, glycolic acid, formic acid, lactic acid, malic acid, maleic acid, oxalic acid, phthalic acid, succinic acid, tartaric acid and propionic acid may be used as an etching solution.
금속 촉매층을 제거한 후, 단계 230은 지지층 및 도펀트 이온이 주입된 그래핀을 원하는 기판에 전사시키는 단계일 수 있다. 예를 들면, 기판은 실리콘(Si) 표면에 이산화규소(SiO2) 층이 형성된 SiO2/Si 기판을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. After removing the metal catalyst layer,
실시예에 따라서, 기판은 실리콘 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판 등의 강성 기판이거나, 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PolyEthylene Napthalate, PEN), 폴리 메틸메타크릴레이트(Poly Methyl MethAcrylate, PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate, PC), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에스테르(Polyester) 등의 가용성 플라스틱 기판일 수 있다.According to the embodiment, the substrate may be a rigid substrate such as a silicon substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon germanium substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for display or a polyimide, (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethersulfone (PES), and polyester Polyester), or the like.
또한, 실시예에 따라서, 기판은 이산화 실리콘 층으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, SiON, ZrO2, ZrSiO, ZrLaO, ZrAlO, ZrSiON, ZrLaON, ZrAlON, LaLuO, LaLuON 및 하프늄 기반의 재료로 구성된 기판이 사용될 수 있고, 기판은 300nm의 두께일 수 있다. Further, according to the embodiment, the substrate is not necessarily, but can be made of silicon dioxide layer is not limited thereto, the substrate consisting of SiON, ZrO 2, ZrSiO, ZrLaO, ZrAlO, ZrSiON, ZrLaON, ZrAlON, LaLuO, LaLuON and a hafnium-based material May be used, and the substrate may be 300 nm thick.
단계 240에서 전사된 그래핀에 대한 열처리 공정을 수행한다. The annealing process for the graphene transferred in
단계 240은 도펀트가 이온주입된 그래핀에 열처리(Annealing) 공정을 수행하여 도펀트를 그래핀 상에 확산시키는 단계일 수 있다.Step 240 may be a step of annealing the graphene doped with the dopant to diffuse the dopant on the graphene.
실시예에 따라서, 단계 240은 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing)을 통해 열처리할 수 있으나, 이에 한정하지 않고 다양한 열처리 방식을 이용하는 단계일 수 있다. According to an embodiment, step 240 may be heat treatment through rapid thermal annealing, but it is not limited thereto and various heat treatment methods may be used.
본 발명의 실시예에 따른 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법은 단계 240에서, 진공 분위기에서 다양한 온도 범위로 열처리할 수 있으나, 반드시 진공 조건에서 열처리 하는 것에 한정되는 것은 아니며, 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 하에서도 열처리할 수 있다.The support layer-based graphene doping method through ion implantation according to an embodiment of the present invention may be performed at various temperatures in a vacuum atmosphere at
또한, 단계 240에서 일반적으로 열처리 온도는 700 내지 1500℃의 범위에서 열처리할 수 있으나, 보다 바람직하게는 900 내지 1100℃의 범위에서 열처리할 수 있고, 열처리 시간은 다양한 시간 범위로 조절할 수 있다. In
단계 240은 급속 열처리를 이용하여 도펀트 이온주입에 의해 발생된 그래핀의 격자 손상을 회복시킬 수 있고, 그래핀 상의 도펀트를 활성화시킬 수 있으며, 그래핀 표면에 도펀트를 최대한 분포시켜 넓은 면적에 균일하게 도핑할 수 있는 단계일 수 있다.
Step 240 can recover the lattice damage of the graphene generated by the dopant ion implantation using the rapid thermal annealing process, activate the dopant on the graphene, distribute the dopant to the graphene surface as much as possible, Doped < / RTI >
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
110: 도펀트
120: 그래핀
130: 지지층
140: 금속 촉매층
150: 기판110: dopant
120: Graphene
130: Support layer
140: metal catalyst layer
150: substrate
Claims (6)
상기 지지층이 형성된 그래핀에 도펀트를 이온주입하는 단계;
상기 이온주입된 그래핀을 기판으로 전사하는 단계; 및
상기 전사된 그래핀에 대한 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 지지층이 형성된 그래핀은
폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA)의 상기 유전체로 구성된 상기 지지층으로 형성되어 빔 에너지에 의한 그래핀 층의 손상을 최소화하고, 그래핀을 투과하는 도펀트 이온을 차단하는
이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법.Growing a graphene formed on the metal catalyst layer, and forming a support layer composed of a dielectric material on the grown graphene;
Implanting a dopant into the graphene formed with the support layer;
Transferring the ion implanted graphene to a substrate; And
And performing a heat treatment process on the transferred graphene,
The graphene formed with the support layer
The support layer made of the dielectric of polymethylmethacrylate (PMMA) minimizes the damage of the graphene layer due to the beam energy and blocks the dopant ions penetrating the graphene
Doping method of graphene based on support layer by ion implantation.
상기 열처리 공정이 수행된 후의 그래핀에 포함된 도펀트 농도는 상기 열처리 공정의 수행 이전의 그래핀에 포함된 도펀트의 농도 대비 10배 내지 13배의 범위로 증가하는 것을 특징으로 하는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법.The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the dopant contained in the graphene after the heat treatment is increased is in the range of 10 to 13 times the concentration of the dopant contained in the graphene before the heat treatment step. Based graphene doping method.
도펀트를 이온주입하는 상기 단계는,
붕소 이온을 도펀트로 하여 35keV 이온주입에너지로, 도즈량은 1x1010/cm2 내지 50x1010/cm2 범위로 이온주입하는 것을 특징으로 하는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법.The method according to claim 1,
The step of implanting the dopant comprises:
Boron ions as the dopant to 35keV in the ion implantation energy and a dose amount of 1x10 10 / cm 2 to about 50x10 10 / cm 2 Lt; RTI ID = 0.0 > I < / RTI > implant.
상기 도펀트의 농도의 증가에 따라 상기 열처리 공정이 수행된 그래핀의 캐리어(carrier)에 대한 이동도(mobility)는 증가하는 것을 특징으로 하는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법.The method according to claim 1,
Wherein the mobility of the graphene subjected to the heat treatment process increases with an increase in the concentration of the dopant.
열처리 공정을 수행하는 상기 단계는
지지층을 제거하는 단계
를 포함하는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법.The method according to claim 1,
The step of performing the heat treatment process comprises
Removing the support layer
Doped graphene based on a support layer through ion implantation.
상기 유전체는
폴리비닐 피롤리돈(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 및 포토아크릴(Photoacryl)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온주입을 통한 지지층 기반의 그래핀의 도핑 방법.
The method according to claim 1,
The dielectric
Wherein the support layer is at least one selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), and photoacryl. Doping method.
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