[논문 리뷰] Temperature and gate effects on contact resistance and mobility in graphene transistors by TLM and Y-function methods

Francesca Urban, Grzegorz Łupina외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 10.

Graphene research and applications참고 문헌 121인용 수 96

한 줄 요약

이 연구는 전이 길이 방법(Transfer Length Method, TLM)과 Y함수 방법(Y-function method, YFM)을 사용하여 니켈(Ni) 접촉을 가진 그래핀 필드효과트랜지스터에서 게이트 및 온도 효과가 접촉 저항과 운반자 이동도에 미치는 영향을 조사한다. 저자들은 TLM을 통해 이동도 측정에 접촉 저항이 심각하게 왜곡됨을 입증하였고, YFM은 이러한 오류를 보정하여 내재 이동도가 게이트 전압에 따라 변하지 않음을 드러낸다. 접촉 저항의 영향을 제거하면 현장효과 이동도가 80% 이상 증가하며, 진주형(Ni) 접촉은 경쟁 가능한 700 Ω·μm의 접촉 저항을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Ni 접촉을 가진 그래핀 트랜지스터에서 게이트 전압과 온도가 접촉 저항과 운반자 이동도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• TLM과 Y함수 방법의 신뢰성과 상호보완성을 평가하여 접촉 저항과 내재 이동도를 추출하기 위해.
• TLM 분석에서 접촉 저항의 오류가 이동도의 진정된 게이트 전압 의존성에 영향을 미치는지 여부를 규명하기 위해.
• 특히 진주형 형태의 접촉 기하구조가 Ni-그래핀 시스템에서 접촉 저항에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 시트 저항과 이동도의 온도 의존성을 정량화하고, 그래핀에서 반도체-금속 전이가 가능한지 여부를 조사하기 위해.

제안 방법

• 화학기상증착(CVD)으로 얻은 단일층 그래핀을 사용하여 SiO2/Si 기판 위에 다수의 접촉 기하구조(직선형, 별형, 진주형)를 가진 백게이트 그래핀 FET를 제작하였다.
• 접촉 간격을 다양하게 하여 전류-전압 특성을 측정함으로써 전이 길이 방법(Transfer Length Method, TLM)을 적용하여 접촉 저항(RC)과 채널 저항을 추출하였다.
• Y함수 방법(Y-function method, YFM)을 사용하여 게이트 전압에 따른 Ids/gm^0.5 및 gm^-0.5의 그래프를 그려 접촉 저항의 영향을 분리하고, 이동도 추출에 활용하였다.
• YFM을 통해 내재 현장효과 이동도(μ)와 RC를 별도로 추정하였으며, TLM에서 유도된 이동도의 접촉 저항 오류를 보정하였다.
• RC, 시트 저항, 이동도의 온도 의존성을 평가하기 위해 온도 범위(90 K에서 400 K)에서 측정을 수행하였다.
• μ = d/(W Cox Vds) * dIds/dVgs 공식을 사용하여 이동도를 계산하였으며, YFM를 통해 내재 운반 특성을 분리하기 위해 보정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 전압은 Ni 접촉을 가진 그래핀 FET에서 접촉 저항과 채널 저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 TLM 분석에서 접촉 저항이 현장효과 이동도의 명백한 게이트 오버드라이브 의존성에 얼마나 심각하게 왜곡을 초래하는가?
• RQ3 그래핀 FET에서 접촉 저항과 시트 저항의 온도 의존성은 어떠한가? 이는 반도체-금속 전이를 유도하는가?
• RQ4 Y함수 방법은 접촉 저항에 영향을 받지 않고 내재 이동도를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ5 접촉 기하구조(예: 진주형)는 접촉 저항과 전체 장치 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 게이트 전압은 접촉 저항과 채널 저항을 유사하게 조절하지만, 내재 운반자 이동도에는 거의 영향을 미치지 않는다.
• 접촉 저항은 거의 온도에 의존하지 않으며, 현장효과 이동도는 90 K에서 250 K로 올라가면서 약 15% 감소하고, 더 높은 온도에서는 추가로 악화된다.
• 200 K 근처에서 게이트 전압에 따라 그래핀 시트 저항에서 반도체적 행동에서 금속적 행동으로의 전이가 발생하며, 이는 주요 산란 메커니즘이 변화했음을 시사한다.
• Y함수 방법은 접촉 저항 오류를 성공적으로 제거하여, TLM에서 관찰된 게이트 오버드라이브 증가에 따른 이동도 감소가 오류임을 드러냈다.
• YFM을 통한 접촉 저항 보정으로 현장효과 이동도가 80% 이상 증가하였으며, 이는 접촉 저항이 명백한 성능 제한 요소임을 입증한다.
• 진주형 형태의 Ni 접촉은 낮은 정규화된 접촉 저항 700 Ω·μm를 달성하여 기하구조적 공학이 RC 감소에 효과적임을 확인한다.