[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究证明，在石墨烯器件中采用底金属结构（MOBA）可使接触电阻率降低为传统顶金属结构（MOTA）的1/4，并显著提升一致性。通过结合钯（Pd）接触与生长诱导缺陷，作者实现了1200 ± 250 Ω·μm的创纪录接触电阻率，归因于界面质量的改善以及缺陷石墨烯中量子输运模式的增加。

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.

研究动机与目标

• 解决化学气相沉积法生长的石墨烯器件中接触电阻率测量值高且不一致的问题。
• 研究接触结构（MOTA与MOBA）对接触电阻率及可重复性的影响。
• 评估生长诱导缺陷对金属-石墨烯结接触电阻率的影响。
• 识别能最小化电阻率同时保持一致性的最优金属接触组合。
• 建立一个统计上可靠的框架，用于研究缺陷介导的石墨烯接触工程。

提出的方法

• 采用石墨烯后处理的制造工艺实现底金属结构（MOBA），最大限度减少界面污染。
• 通过控制源气流量的化学气相沉积法，制备出缺陷密度不同（低与高）的两份石墨烯样品。
• 使用四探针法测量接触电阻率，并通过转移特性曲线分析提取费米能级偏移量。
• 应用量子输运模型，利用费米能级与电荷中性点之间的能量差（ΔEF）计算导电模式数（M）。
• 计算总导电模式数为 M_total = M_VG + M_CNP，其中 M_CNP 代表电荷中性点处由缺陷引起的模式数。
• 通过肖特基势垒模型将接触电阻率与金属功函数相关联，验证热电子发射为占主导地位的输运机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 接触结构的选择（顶金属与底金属）如何影响化学气相沉积法生长石墨烯中接触电阻率的一致性与大小？
• RQ2 化学气相沉积法石墨烯中的生长诱导缺陷在多大程度上降低接触电阻率？其潜在物理机制是什么？
• RQ3 缺陷石墨烯沟道中的量子输运模式在降低接触电阻率中起到何种作用？
• RQ4 钯（Pd）、金（Au）和铂（Pt）在石墨烯上的接触中，金属功函数与接触电阻率之间存在何种相关性？
• RQ5 缺陷工程是否可作为一种有效策略，在不损害整体器件性能的前提下降低接触电阻率？

主要发现

• 与顶金属结构（MOTA）相比，底金属结构（MOBA）将接触电阻率降低为1/4，且一致性显著提升。
• 在所有测试金属（Au、Pt、Pd）中，化学气相沉积法石墨烯中的生长诱导缺陷使接触电阻率降低为1/2，原因在于量子输运模式的增加。
• 在MOBA结构中采用Pd作为接触金属，并结合缺陷石墨烯，实现了1200 ± 250 Ω·μm的接触电阻率，较典型值降低10倍。
• 金属功函数与提取的肖特基势垒高度之间存在线性相关性，证实热电子发射为占主导地位的输运机制。
• 缺陷显著增加了电荷中性点处的导电模式数（M_CNP），其中缺陷石墨烯的 M_CNP(B) = 2 × M_CNP(A)，直接建立了缺陷密度与低电阻率之间的关联。
• 尽管缺陷工程可降低接触电阻率，但可能降低载流子迁移率，因此在高速逻辑与传感应用之间需权衡取舍。