[論文レビュー] Temperature and gate effects on contact resistance and mobility in graphene transistors by TLM and Y-function methods

Francesca Urban, Grzegorz Łupina+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Graphene research and applications参考文献 121被引用数 96

ひとこと要約

本研究では、トランスファーレンズメソッド（TLM）およびY関数法（YFM）を用いて、ニッケル接触を施したグラフェンフィールドエフェクトトランジスタ（FET）におけるゲートおよび温度効果が接触抵抗およびキャリア移動度に与える影響を調査した。著者らは、TLMによる移動度測定において接触抵抗が顕著に歪められることを示し、YFMがこの誤差を補正し、内在移動度がゲート電圧に依存しないことを明らかにした。接触抵抗の影響を除去することで、フィールド効果移動度は80%以上向上し、ジグザグ形状のニッケル接触は競争力のある700 Ω·μmの接触抵抗を達成した。

ABSTRACT

The metal-graphene contact resistance is one of the major limiting factors toward the technological exploitation of graphene in electronic devices and sensors. A high contact resistance can be detrimental to device performance and spoil the intrinsic great properties of graphene. In this paper, we fabricate graphene field-effect transistors with different geometries to study the contact and channel resistance as well as the carrier mobility as a function of gate voltage and temperature. We apply the transfer length method and the y-function method showing that the two approaches can complement each other to evaluate the contact resistance and prevent artifacts in the estimation of the gate-voltage dependence of the carrier mobility. We find that the gate voltage modulates the contact and the channel resistance in a similar way but does not change the carrier mobility. We also show that the raising temperature lowers the carrier mobility, has negligible effect on the contact resistance, and can induce a transition from a semiconducting to a metallic behavior of the graphene sheet resistance, depending on the applied gate voltage. Finally we show that eliminating the detrimental effects of the contact resistance on the transistor channel current almost doubles the carrier field-effect mobility and that a competitive contact resistance an be achieved by the zig-zag shaping of the Ni contact.

研究の動機と目的

• ニッケル接触を施したグラフェントランジスタにおけるゲート電圧および温度が接触抵抗およびキャリア移動度に与える影響を調査すること。
• TLMおよびY関数法の信頼性と補完的性を評価し、接触抵抗および内在移動度を抽出する際の有効性を検証すること。
• TLM解析における接触抵抗のアーティファクトが、移動度の真のゲート電圧依存性を歪める程度を特定すること。
• 接触形状、特にジグザグ形状がニッケル-グラフェン系における接触抵抗に与える影響を調査すること。
• シート抵抗および移動度の温度依存性を定量的に評価し、グラフェンにおける半導体-金属遷移の可能性を検討すること。

提案手法

• 化学気相成長（CVD）法で得た単層グラフェンを用い、SiO2/Si基板上にバックゲート型グラフェンFETを複数の接触形状（直線型、スター型、ジグザグ型）で作製した。
• 接触間隔を変化させた電流-電圧特性の測定を用いて、トランスファーレンズメソッド（TLM）を適用し、接触抵抗（RC）およびチャネル抵抗を抽出した。
• Y関数法（YFM）を用いて、ゲート電圧依存のIdsgm^0.5およびgm^-0.5プロットを用い、接触抵抗の影響を分離し、移動度抽出に応用した。
• YFMを用いて、接触抵抗アーティファクトを補正した内在フィールド効果移動度（μ）およびRCを独立して推定した。
• 接触抵抗、シート抵抗、および移動度の温度依存性を評価するため、90 Kから400 Kの温度範囲で測定を実施した。
• μ = d/(W Cox Vds) * dIds/dVgsの式を用いて移動度を計算し、YFMによる補正を施して内在輸送挙動を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート電圧は、ニッケル接触を施したグラフェンFETにおける接触抵抗およびチャネル抵抗にどのように影響を与えるか？
• RQ2 TLM解析における接触抵抗が、フィールド効果移動度の見かけのゲートオーバードライブ依存性をどの程度歪めるか？
• RQ3 グラフェンFETにおける接触抵抗およびシート抵抗の温度依存性は何か？また、半導体的性質から金属的性質への遷移を誘発するか？
• RQ4 Y関数法は、接触抵抗に依存しない内在移動度を信頼性を持って抽出できるか？
• RQ5 接触形状（例：ジグザグ形状）は、接触抵抗および全体的なデバイス性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ゲート電圧は接触抵抗およびチャネル抵抗の両方を同様に変調するが、内在キャリア移動度にはほとんど影響しない。
• 接触抵抗はほぼ温度に依存せず、フィールド効果移動度は90 Kから250 Kの間で約15%低下するが、高温域ではさらなる劣化を示す。
• ゲート電圧に依存するが、約200 Kでグラフェンのシート抵抗が半導体的性質から金属的性質へと遷移する。これは主な散乱メカニズムの変化を示唆する。
• Y関数法は接触抵抗アーティファクトを効果的に除去し、TLMで観察されたゲートオーバードライブに伴う移動度低下がアーティファクトであることを明らかにした。
• YFMによる接触抵抗補正により、フィールド効果移動度は80%以上向上し、接触抵抗が顕著に見かけの性能を制限していることが示された。
• ジグザグ形状のニッケル接触は、低く、700 Ω·μmの正規化接触抵抗を達成し、幾何学的設計によるRC低減の有効性を裏付けた。