Graphene has attracted much attention for future nanoelectronics due to its superior electrical properties. Owing to its extremely high carrier mobility and controllable carrier density, graphene is a promising material for practical applications, particularly as a channel layer of high-speed FET. Furthermore, the planar form of graphene is compatible with the conventional top-down CMOS fabrication processes and large-scale synthesis by chemical vapor deposition (CVD) process is also feasible. Despite these promising characteristics of graphene, much work must still be done in order to successfully develop graphene FET. One of the key issues is the process technique for gate dielectric formation because the channel mobility of graphene FET is drastically affected by the gate dielectric interface quality. Formation of high quality gate dielectric on graphene is still a challenging. Dirac voltage, the charge neutral point of the device, also strongly depends on gate dielectrics. Another performance killer in graphene FET is source/drain contact resistance, as the contact resistant between metal and graphene S/D is usually one order of magnitude higher than that between metal and silicon S/D. In this presentation, the key issues on graphene-based FET, including organic-inorganic hybrid gate dielectric formation, controlling of Dirac voltage, reduction of source/drain contact resistance, device structure optimization, graphene gate electrode for improvement of gate dielectric reliability, and CVD graphene transfer process issues are addressed.
Graphene, two dimensional single layer of carbon atoms, has tremendous attention due to its superior property such as fast electron mobility, high thermal conductivity and optical transparency, and also found many applications such as field-effect transistors (FET), energy storage and conversion, optoelectronic device, electromechanical resonators and chemical sensors. Several techniques have been developed to form the graphene. Especially chemical vapor deposition (CVD) is a promising process for the large area graphene. For the electrically isolated devices, the graphene should be transfer to insulated substrate from Cu or Ni. However, transferred graphene has serious drawback due to remaining polymeric residue during transfer process which induces the poor device characteristics by impurity scattering and it interrupts the surface functionalization for the sensor application. In this study, we demonstrate the characteristics of solution-gated FET depending on the removal of polymeric residues. The solution-gated FET is operated by the modulation of the channel conductance by applying a gate potential from a reference electrode via the electrolyte, and it can be used as a chemical sensor. The removal process was achieved by several solvents during the transfer of CVD graphene from a copper foil to a substrate and additional annealing process with H2/Ar environments was carried out. We compare the properties of graphene by Raman spectroscopy, atomic force microscopy(AFM), and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements. Effects of residual polymeric materials on the device performance of graphene FET will be discussed in detail.
The redox reaction on graphene nanoribbon (GNR) field effect transistors(FET) has been studied. In detail, upon employing an electrolyte gating, we verified electron transport performance modulation of GNR FET by monitoring conductance variation under oxidation and reduction processes. The conductance enhancement of GNR via removal of PMMA residue on graphene surface during redox cycles was also observed.
Device 제작에 사용된 graphene은 일반적인 lithography 공정에서 resist residue에 의한 오염을 피할 수 없으며 이로 인하여 graphene의 pristine한 성질을 잃어버린다. 본 연구에서는 graphene을 저밀도의 argon inductively coupled plasma (Ar-ICP)를 통해 처리함으로서 graphene based back-gated field effect transistor (G-FET)의 특성변화를 유도한 결과에 대해서 보고한다. Argon capacitively coupled plasma (Ar-CCP)은 에 노출된 graphene은 강한 ion bombardment energy로 인하여 쉽게 planar C-C ${\pi}$ bonding (bonding energy: 2.7 eV)이 breaking되어 graphene의 defect이 발생되었다. 하지만 우리의 경우 저밀도의 Ar-ICP가 적용될 때 graphene의 defect이 제한되며 이와 동시에 contamination 만을 제거할 수 있었다. 소자의 전기적 측정 (Gsd-Vbg)을 통하여 contamination으로 인하여 p-doping된 graphene은 pristine 상태로 회복되었으며 mobility도 회복됨이 확인되었다. Ar-ICP를 이용한 graphene cleaning 방법은 저온공정, 대면적 공정, 고속공정을 모두 만족시키며 thermal annealing, electrical current annealing을 대체하여 graphene 기반 소자를 생산함에 있어 쉽고 빠르게 적용할 수 있는 강점이 있다.
Kim, B.Y;Jang, M.;Shin, K.-S.;Sohn, I.Y;Kim, S.-W.;Lee, N.-E
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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pp.434.2-434.2
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2014
We observe enhanced pH response of solution-gated field-effect transistors (SG-FET) having 1D-2D hybrid channel of vertical grown ZnO nanorods grown on CVD graphene (Gr). In recent years, SG-FET based on Gr has received a lot of attention for biochemical sensing applications, because Gr has outstanding properties such as high sensitivity, low detection limit, label-free electrical detection, and so on. However, low-defect CVD Gr has hardly pH responsive due to lack of hydroxyl group on Gr surface. On the other hand, ZnO, consists of stable wurtzite structure, has attracted much interest due to its unique properties and wide range of applications in optoelectronics, biosensors, medical sciences, etc. Especially, ZnO were easily grown as vertical nanorods by hydrothermal method and ZnO nanostructures have higher sensitivity to environments than planar structures due to plentiful hydroxyl group on their surface. We prepared for ZnO nanorods vertically grown on CVD Gr (ZnO nanorods/Gr hybrid channel) and to fabricate SG-FET subsequently. We have analyzed hybrid channel FETs showing transfer characteristics similar to that of pristine Gr FETs and charge neutrality point (CNP) shifts along proton concentration in solution, which can determine pH level of solution. Hybrid channel SG-FET sensors led to increase in pH sensitivity up to 500%, compared to pristine Gr SG-FET sensors. We confirmed plentiful hydroxyl groups on ZnO nanorod surface interact with protons in solution, which causes shifts of CNP. The morphology and electrical characteristics of hybrid channel SG-FET were characterized by FE-SEM and semiconductor parameter analyzer, respectively. Sensitivity and sensing mechanism of ZnO nanorods/Gr hybrid channel FET will be discussed in detail.
Graphene is a good candidate for the future nano-electronic materials because it has excellent conductivity, mobility, transparency, flexibility and others. Until now, most graphene researches are focused on the nano electronic device applications, however, biological application of graphene has been relatively less reported. We have fabricated a deoxyribonucleic acid (DNA) conjugated graphene field-effect transistor (FET) and measured the electrical transport characteristics. We have used graphene sheets grown on Ni substrates by chemical vapour deposition. The Raman spectra of graphene sheets indicate high quality and only a few number of layers. The synthesized graphene is transferred on top of the substrate with pre-patterned electrodes by the floating-and-scooping method [1]. Then we applied adhesive tapes on the surface of the graphene to define graphene flakes of a few micron sizes near the electrodes. The current-voltage characteristic of the graphene layer before stripping shows linear zero gate bias conductance and no gate operation. After stripping, the zero gate bias conductance of the device is reduced and clear gate operation is observed. The change of FET characteristics before and after stripping is due to the formation of a micron size graphene flake. After combined with 30 base pairs single-stranded poly(dT) DNA molecules, the conductance and gate operation of the graphene flake FETs become slightly smaller than that of the pristine ones. It is considered that DNA is to be stably binding to the graphene layer due to the ${\pi}-{\pi}$ stacking interaction between nucleic bases and the surface of graphene. And this binding can modulate the electrical transport properties of graphene FETs. We also calculate the field-effect mobility of pristine and DNA conjugated graphene FET devices.
We fabricated reduced graphene oxide field-effect transistor (RGO-FET) on glass for highly sensitive temperature and IR detection. The device has the channels of RGO responsive to physical stimuli such as temperature and IR. The RGO sensing layers are fabricated from exfoliated graphene oxide sheets that are deposited to form a thin continuous network by electrostatic assembly. These graphene oxide networks are reduced toward reduce graphene oxide by exposure to a hydrazine hydrate vapor. To improve performance and eliminate interferences from oxygen and water vapor absorption to electrical properties of RGO-FET, the sensor devices were encapsulated by the tetratetracontane layer after annealing treatment. The device with encapsulation layer showed lower hysteresis, improved stability, and better repeatability. The temperature response of RGO-FET is examined by measuring changing the temperature, the device exhibited the high sensitivity and repeatability even with the temperature interval of 1 K. We also demonstrated that our devices have capability of IR sensing.
Kim, Duck-Jin;Sohn, Il-Yung;Jung, Jin-Heak;Yoon, Ok-Ja;Lee, N.E.;Park, Joon-Shik
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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pp.549-549
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2012
Early detection of cancer biomarkers in the blood is of vital importance for reducing the mortality and morbidity in a number of cancers. From this point of view, immunosensors based on nanowire (NW) and carbon nanotube (CNT) field-effect transistors (FETs) that allow the ultra-sensitive, highly specific, and label-free electrical detection of biomarkers received much attention. Nevertheless 1D nano-FET biosensors showed high performance, several challenges remain to be resolved for the uncomplicated, reproducible, low-cost and high-throughput nanofabrication. Recently, two-dimensional (2D) graphene and reduced GO (RGO) nanosheets or films find widespread applications such as clean energy storage and conversion devices, optical detector, field-effect transistors, electromechanical resonators, and chemical & biological sensors. In particular, the graphene- and RGO-FETs devices are very promising for sensing applications because of advantages including large detection area, low noise level in solution, ease of fabrication, and the high sensitivity to ions and biomolecules comparable to 1D nano-FETs. Even though a limited number of biosensor applications including chemical vapor deposition (CVD) grown graphene film for DNA detection, single-layer graphene for protein detection and single-layer graphene or solution-processed RGO film for cell monitoring have been reported, development of facile fabrication methods and full understanding of sensing mechanism are still lacking. Furthermore, there have been no reports on demonstration of ultrasensitive electrical detection of a cancer biomarker using the graphene- or RGO-FET. Here we describe scalable and facile fabrication of reduced graphene oxide FET (RGO-FET) with the capability of label-free, ultrasensitive electrical detection of a cancer biomarker, prostate specific antigen/${\alpha}$ 1-antichymotrypsin (PSA-ACT) complex, in which the ultrathin RGO channel was formed by a uniform self-assembly of two-dimensional RGO nanosheets, and also we will discuss about the immunosensing mechanism.
Focused electron beams with high energy acceleration are versatile probes. Focused electron beams can be used for high-resolution imaging and multi-mode nanofabrication, in combination with, molecular precursor delivery, in an electron microscopy environment. A high degree of control with atomic-to-microscale resolution, a focused electron beam allows for precise engineering of a graphene-based field-effect transistor (FET). In this study, the effect of electron irradiation on a graphene FET was systematically investigated. A separate evaluation of the electron beam induced transport properties at the graphene channel and the graphene-metal contacts was conducted. This provided on-demand strategies for tuning transfer characteristics of graphene FETs by focused electron beam irradiation.
Kim, D.J.;Sohn, I.Y.;Kim, D.I.;Yoon, O.J.;Yang, C.W.;Lee, N.E.;Park, J.S.
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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pp.431-431
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2011
Graphene, two dimensional sheet of sp2-hybridized carbon, has attracted an enormous amount of interest due to excellent electrical, chemical and mechanical properties for the application of transparent conducting films, clean energy devices, field-effect transistors, optoelectronic devices and chemical sensors. Especially, graphene is promising candidate to detect the gas molecules and biomolecules due to the large specific surface area and signal-to-noise ratios. Despite of importance to the disease diagnosis, there are a few reports to demonstrate the graphene- and rGO-FET for biological sensors and the sensing mechanism are not fully understood. Here we describe scalable and facile fabrication of rGO-FET with the capability of label-free, ultrasensitive electrical detection of a cancer biomarker, prostate specific antigen/${\alpha}1$-antichymotrypsin (PSA-ACT) complex, in which the ultrathin rGO sensing channel was simply formed by a uniform self-assembly of two-dimensional rGO nanosheets on aminated pattern generated by inkjet printing. Sensing characteristics of rGO-FET immunosensor showed the highly precise, reliable, and linear shift in the Dirac point with the analyte concentration of PSA-ACT complex and extremely low detection limit as low as 1 fg/ml. We further analyzed the charge doping mechanism, which is the change in the charge carrier in the rGO channel varying by the concentration of biomolecules. Amenability of solution-based scalable fabrication and extremely high performance may enable rGO-FET device as a versatile multiplexed diagnostic biosensor for disease biomarkers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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