[논문 리뷰] Making Consistent Contacts to Graphene: Effect of Architecture and Growth Induced Defects

Krishna Bharadwaj B, Rudra Pratap외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 04.

Graphene research and applications참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CVD로 증착한 그래핀 장치에서 금속-아래 구조(MOBA)가 전통적인 금속-위 구조(MOTA)에 비해 접합 저항률을 4배 감소시키고 일관성을 향상시킨다는 것을 입증한다. 팔라듐(Pd) 접합과 성장 과정에서 유도된 결함을 조합함으로써 저자들은 기록적인 접합 저항률 1200 ± 250 Ω·μm를 달성하였으며, 이는 향상된 인터페이스 품질과 결함이 있는 그래핀에서 증가한 양자 운반자 모드에 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CVD로 증착한 그래핀 장치에서 접합 저항률 측정의 높은 변동성과 일관성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 접합 구조(모델-위 대 모델-아래)가 접합 저항률과 재현 가능성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 성장 과정에서 유도된 결함이 금속-그래핀 접합에서의 접합 저항률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 저항률을 최소화하면서도 일관성을 유지하는 최적의 금속-접합 조합을 규명하기 위해.
• 결함 매개 접합 공학을 연구하기 위한 통계적으로 신뢰할 수 있는 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 인터페이스 오염을 최소화하기 위해 그래핀-마지막 공정 공정을 적용하여 금속-아래(MOBA) 구조를 실현하였다.
• 통제된 원료 유량을 사용한 CVD 증착을 통해 결함 농도가 다름(낮음 및 높음)인 두 개의 그래핀 샘플을 제조하였다.
• 네점 프로브 방법을 사용하여 접합 저항률을 측정하고, 전이 곡선 분 析를 통해 팔라듐 수준 이동을 추출하였다.
• 에너지 차이(팔라듐 수준과 전하 중성점 사이의 ΔEF)를 사용하여 양자 운반자 모델을 적용하여 도핑 모드 수(M)를 계산하였다.
• 총 도핑 모드 수를 M_total = M_VG + M_CNP로 계산하였으며, 여기서 M_CNP는 전하 중성점에서 결함에 의해 유도된 모드를 고려한다.
• 스코트키 장벽 모델을 적용하여 금속 일함수와 접합 저항률 간의 상관관계를 분석하고, 열전자 방출이 주요 운반 메커니즘이라는 것을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속-위 대비 금속-아래 구조 선택이 CVD로 증착한 그래핀에서 접합 저항률의 일관성과 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CVD 그래핀에서 성장 과정에서 유도된 결함이 접합 저항률을 얼마나 감소시키며, 그 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 결함이 있는 그래핀 채널에서의 양자 운반자 모드가 접합 저항률을 낮추는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 접합에서 금속 일함수와 접합 저항률 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 결함 공학은 전체 장치 성능을 떨어뜨리지 않고 접합 저항률을 감소시키는 타당한 전략으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 금속-아래(MOBA) 구조는 금속-위(MOTA)에 비해 접합 저항률을 4배 감소시키며, 상당한 일관성 향상을 보였다.
• CVD 그래핀에서 성장 과정에서 유도된 결함은 모든 테스트된 금속(Au, Pt, Pd)에서 접합 저항률을 2배 감소시켰으며, 이는 증가한 양자 운반자 모드에 기인한다.
• 결함이 있는 그래핀에서 MOBA와 Pd를 조합함으로써 접합 저항률은 1200 ± 250 Ω·μm를 기록하였으며, 이는 일반적인 값 대비 10배 감소한 것이다.
• 금속 일함수와 추출된 스코트키 장벽 높이 사이의 선형 상관관계는 열전자 방출이 주요 운반 메커니즘임을 확인한다.
• 결함은 전하 중성점에서 도핑 모드 수(M_CNP)를 증가시키며, 결함이 있는 그래핀에서는 M_CNP(B) = 2 × M_CNP(A)로 나타나 결함 농도가 저항률 감소와 직접적인 관련이 있음을 입증한다.
• 결함 공학은 접합 저항률 감소에 기여하지만, 실질적으로 운반자 이동도를 떨어뜨릴 수 있으므로 고속 논리 소자와 센서 응용 분야 간의 성능 트레이드오프가 필요하다.