[論文レビュー] Low-energy electron-irradiation effect on transport properties of graphene field effect transistor

Filippo Giubileo, Antonio Di Bartolomeo+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Graphene research and applications参考文献 42被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、10 keVまでの低エネルギー電子線照射がグラフェンフィールド効果トランジスタ（G-FET）に与える影響を調査し、30 e⁻/nm²という低い電子線線量ですでにデバイス特性が著しく低下することを示している。具体的には、接触抵抗が増加し、キャリア移動度が低下する。しかし、繰り返し電気的測定を実施することで、デバイスは回復を示すため、照射効果は一時的であることが示唆される。

ABSTRACT

We study the effects of low-energy electron beam irradiation up to 10 keV on graphene based field effect transistors. We fabricate metallic bilayer electrodes to contact mono- and bi-layer graphene flakes on SiO$_2$, obtaining specific contact resistivity $ρ_c \simeq 19 kΩμm^2$ and carrier mobility as high as 4000 cm$^2$V$^{-1}$s$^{-1}$. By using a highly doped p-Si/SiO$_2$ substrate as back gate, we analyze the transport properties of the device and the dependence on the pressure and on the electron bombardment. We demonstrate that low energy irradiation is detrimental on the transistor current capability, resulting in an increase of the contact resistance and a reduction of the carrier mobility even at electron doses as low as 30 $e^-/nm^2$. We also show that the irradiated devices recover by returning to their pristine state after few repeated electrical measurements.

研究の動機と目的

• グラフェンフィールド効果トランジスタの電気的輸送特性に及ぼす低エネルギー電子線照射の影響を調査すること。
• 電子線照射によるデバイス特性の劣化が顕著に現れ始める閾値線量を特定すること。
• 繰り返し電気的測定を用いて、照射誘発変化の可逆性を評価すること。
• 照射誘発変化と接触抵抗率およびキャリア移動度の変化との相関関係を特定すること。

提案手法

• SiO₂基板上に単層および二層のグラフェンフラクチュアを用いて、金属バイレイヤー電極を備えたグラフェンフィールド効果トランジスタの作製。
• 低接触抵抗（ρc ≈ 19 kΩ·μm²）と高いキャリア移動度（最大4000 cm²V⁻¹s⁻¹）の達成。
• バックゲートとして高ドーピングp-Si/SiO₂基板を用い、デバイスの電導度を制御。
• 10 keVまでの低エネルギー電子ビームを、さまざまな線量および圧力条件下で照射し、照射効果を評価。
• 照射前、照射中、照射後の輸送特性を体系的に測定し、可逆性を評価。
• 電子線線量および環境圧力の関数としての接触抵抗およびキャリア移動度の変化を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 keVまでの低エネルギー電子線照射が、グラフェンフィールド効果トランジスタの接触抵抗にどのように影響を与えるか？
• RQ2 キャリア移動度および電流容量に顕著な劣化を誘発するための最小電子線線量は何か？
• RQ3 グラフェンFETにおける照射誘発劣化は、永久的損傷を引き起こすのか、それとも可逆的か？
• RQ4 照射時の環境圧力は、デバイス劣化の程度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 繰り返し電気的測定により、照射されたグラフェンFETの元の輸送特性は回復可能か？

主な発見

• 30 e⁻/nm²という極めて低い電子線線量でも、接触抵抗率の有意な増加およびキャリア移動度の低下が観察された。
• デバイス特性の劣化は可逆的であり、繰り返し電気的測定を経て、元の状態に回復した。
• 低線量でもキャリア移動度が顕著に低下することから、グラフェンの輸送特性が電子線照射に対して極めて感受性が高いことが示された。
• 最適化されたデバイスでは接触抵抗率がρc ≈ 19 kΩ·μm²に達するが、照射後はこの値が上昇した。
• 劣化の程度は照射圧力に依存しており、環境要因が照射効果に寄与している可能性を示唆した。
• 回復ダイナミクスから、照射効果は一時的な電荷捕獲または欠陥形成によるものであり、構造的永久損傷とは異なると考えられる。