[論文レビュー] Making Consistent Contacts to Graphene: Effect of Architecture and Growth Induced Defects

Krishna Bharadwaj B, Rudra Pratap+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Graphene research and applications参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、化学気相成長法で成長させたグラフェンデバイスにおける金属下配置構造（MOBA）が、従来の金属上配置構造（MOTA）と比較して接触抵抗率を4分の1に低減し、一貫性を向上させることを示している。パラジウム（Pd）接触と成長誘発欠陥を組み合わせることで、界面品質の向上と欠陥を有するグラフェンにおける量子輸送モードの増加に起因し、記録的な接触抵抗率1200 ± 250 Ω·μmを達成した。

ABSTRACT

The effect of contact architecture, graphene defect density and metal-semiconductor work function difference on resistivity of metal-graphene contacts have been investigated. An architecture with metal on the bottom of graphene is found to yield resistivities that are lower, by a factor of 4, and most consistent as compared to metal on top of graphene. Growth defects in graphene film were found to further reduce resistivity by a factor of 2. Using a combination of method and metal used, the contact resistivity of graphene has been decreased by a factor of 10 to 1200 +- 250 Ohm-um using Palladium as the contact metal. While the improved consistency is due to the metal being able to contact uncontaminanted graphene in the metal on the bottom architecture, lower contact resistivities observed on defective graphene with the same metal is attributed to the increased number of modes of quantum transport in the channel.

研究の動機と目的

• 化学気相成長法で成長させたグラフェンデバイスにおける接触抵抗率測定の高さと不一致の問題を解決すること。
• 接触構造（MOTA 対 MOBA）が接触抵抗率および再現性に与える影響を調査すること。
• 成長誘発欠陥が金属-グラフェン接合における接触抵抗率に与える影響を評価すること。
• 抵抗率を最小限に抑えつつ一貫性を維持する最適な金属接触組み合わせを特定すること。
• 欠陥を介した接触工学を研究するための統計的に信頼性のあるフレームワークを確立すること。

提案手法

• 界面汚染を最小限に抑えるために、グラフェン最後工程プロセスを採用し、金属下配置（MOBA）構造を実現した。
• 制御された原料ガス流量を用いたCVD成長により、欠陥密度が異なる2種類のグラフェン試料（低欠陥および高欠陥）を生成した。
• 四端子プローブ法を用いて接触抵抗率を測定し、転写曲線解析からフェルミ準位のシフトを抽出した。
• 量子輸送モデルを適用し、フェルミ準位と電荷中性点のエネルギー差（ΔEF）を用いて伝導モード数（M）を計算した。
• 全導電モード数を M_total = M_VG + M_CNP として計算した。ここで M_CNP は電荷中性点における欠陥誘発モードを表す。
• シュートキー障壁モデルを用いて接触抵抗率と金属の仕事関数の相関を分析し、熱電子放出が主な輸送メカニズムであることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属上配置（MOTA）対金属下配置（MOBA）という接触構造の選択が、CVD法で成長させたグラフェンにおける接触抵抗率の大きさと一貫性にどのように影響するか？
• RQ2 CVD法で成長させたグラフェンに誘発された欠陥が、接触抵抗率をどの程度低減させ、その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 欠陥を有するグラフェンチャネルにおける量子輸送モードが、接触抵抗率の低減に果たす役割は何か？
• RQ4 パラジウム（Pd）、金（Au）、白金（Pt）の接触において、金属の仕事関数と接触抵抗率の相関関係は何か？
• RQ5 欠陥工学は、デバイス全体の性能を劣化させることなく、接触抵抗率を低減する有効な戦略として利用可能か？

主な発見

• 金属下配置（MOBA）構造は、金属上配置（MOTA）構造と比較して接触抵抗率を4分の1に低減し、著しく一貫性が向上した。
• CVD法で成長させたグラフェンに誘発された欠陥は、全試験金属（Au、Pt、Pd）において接触抵抗率を2分の1に低減させた。これは、量子輸送モード数の増加に起因する。
• 欠陥を有するグラフェンを用いたMOBA構造でパラジウム（Pd）を接触金属とすることで、接触抵抗率が1200 ± 250 Ω·μmにまで低下し、通常値と比較して10倍の低減を達成した。
• 金属の仕事関数と抽出されたシュートキー障壁高さとの線形相関関係は、熱電子放出が主な輸送メカニズムであることを裏付けた。
• 欠陥は電荷中性点における導電モード数（M_CNP）を増加させ、欠陥を有するグラフェンでは M_CNP(B) = 2 × M_CNP(A) となることが示された。これは、欠陥密度と抵抗率の低減の直接的な関連を示している。
• 欠陥工学により接触抵抗率は低減されるが、キャリア移動度が低下する可能性があるため、高速論理回路とセンシング用途の間でトレードオフが必要となる。