[论文解读] 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 96

一句话总结

本研究利用传输长度法（TLM）和Y函数法（YFM），探究了栅压与温度对Ni接触石墨烯场效应晶体管中接触电阻和载流子迁移率的影响。作者证明，接触电阻在TLM测量中显著扭曲迁移率结果，而YFM可校正此误差，揭示出本征迁移率与栅压无关。消除接触电阻影响后，场效应迁移率提升超过80%，且Z字形Ni接触可实现700 Ω·μm的优异接触电阻。

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.

研究动机与目标

• 研究栅压与温度对石墨烯晶体管中接触电阻和载流子迁移率的影响。
• 评估TLM与Y函数法在提取接触电阻和本征迁移率方面的可靠性与互补性。
• 确定TLM分析中接触电阻的伪影是否扭曲了迁移率的真实栅压依赖性。
• 探讨接触几何形状（特别是Z字形）对Ni-石墨烯体系中接触电阻的影响。
• 量化面电阻与迁移率的温度依赖性，包括石墨烯中可能发生的半导体-金属转变。

提出的方法

• 在SiO2/Si衬底上利用化学气相沉积（CVD）生长的单层石墨烯，制备背栅结构的石墨烯FET，采用多种接触几何形状（直线形、星形、Z字形）。
• 采用传输长度法（TLM）通过测量不同接触间距下的电流-电压特性，提取接触电阻（RC）与沟道电阻。
• 应用Y函数法（YFM），通过绘制Ids/gm^0.5与gm^-0.5随栅压变化的关系图，实现接触电阻效应与迁移率提取的解耦。
• 利用YFM独立估算本征场效应迁移率（μ）与RC，校正TLM所得迁移率中的接触电阻伪影。
• 在90 K至400 K的温度范围内进行测量，评估RC、面电阻与迁移率的温度依赖性。
• 使用公式μ = d/(W Cox Vds) * dIds/dVgs计算迁移率，并通过YFM校正以分离出本征输运行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 栅压如何影响Ni接触石墨烯FET中的接触电阻与沟道电阻？
• RQ2 接触电阻在TLM分析中在多大程度上扭曲了场效应迁移率的表观栅压依赖性？
• RQ3 接触电阻与面电阻的温度依赖性如何？是否诱导石墨烯发生半导体-金属转变？
• RQ4 Y函数法能否可靠地提取与接触电阻无关的本征迁移率？
• RQ5 接触几何形状（如Z字形）如何影响接触电阻与整体器件性能？

主要发现

• 栅压对接触电阻与沟道电阻的调制作用相似，但对本征载流子迁移率影响可忽略不计。
• 接触电阻几乎与温度无关，而场效应迁移率从90 K到250 K下降约15%，在更高温度下进一步退化。
• 石墨烯面电阻在约200 K发生从半导体行为到金属行为的转变，具体取决于栅压，表明主导散射机制发生变化。
• Y函数法成功消除了接触电阻伪影，揭示出TLM中观察到的迁移率随栅压过驱动而下降的现象实为伪影。
• 通过YFM校正接触电阻后，场效应迁移率提升超过80%，表明接触电阻严重限制了器件的表观性能。
• Z字形Ni接触实现低至700 Ω·μm的归一化接触电阻，证实几何结构工程在降低RC方面的有效性。