Graphene, the two-dimensional (2D) honeycomb structure composed of carbon atoms layer, has drawn keen attention of researchers because of its superior electrical, mechanical and optical properties. Especially its high carrier mobility up to 200,000 cm2/Vos has great potential to complement silicon-based electronics in future application. However, the contact resistance (Rc) between metal and graphene degrades the performance of graphene field-effect transistors (FETs). Therefore, understanding dominant factors of metal-graphene (M-G) Rc is highly required to improve the performance of graphene-based FETs.
There have been many efforts to establish relationship between M-G interface and Rc, but supporting data is still insufficient. Thus, in this thesis, we show the temperature dependent Rc characteristics when graphene contacts to different kinds of metal, Au and Pd. As it is already reported, work functions of graphene under Au and Pd are similar to each other, but Rc has tendency to be lowered when graphene contacts to Pd rather than Au. This is due to the difference of coupling length and electrostatic potential between metal and graphene and can be proved systematically by Rc comparison of each interface with temperature variance.
The experiment was carefully started with choice of the graphene and transfer methods used because the electrical performance of the device depends on them. Monolayer graphene was prepared with physical exfoliation of graphite flake, wet transfer of CVD graphene, and dry transfer of CVD graphene. Among them, the device with dry transferred CVD graphene showed the most suitable fabrication process and electrical characteristics for analyzing Rc. So, next steps were done with dry transferred graphene. Source and drain electrodes were made with Au and Pd/Au for each transistor using thermal evaporator with a conventional lift-off process. Transfer length method (TLM) was used to extract Rc in various temperatures with a fifty-degree gap.
Experimental result shows that, temperature dependency is more obvious when graphene contacts to Au rather than Pd. This indicates the coupling length which is determined by anharmonic nature of the carbon-metal atom vibrational potential is one of the main factors contributing to the contact resistance.
그래핀은 뛰어난 전하 이동도를 갖고 있기 때문에, 실리콘 기반의 전자 산업 구조를 대체할 차세대 물질로 각광받고 있다. 하지만, 그래핀-금속간의 접촉 저항은 그래핀 소자의 성능을 저하시키고, 이를 보완하기 위해서는 접촉 저항을 결정하는 주요 요인에 대한 이해가 필요하다.
금속-그래핀 계면과 접촉 저항의 관계를 입증하려는 다양한 연구가 있었지만, 여전히 그 정확한 메커니즘을 뒷받침하기에는 불충분하다. 본 논문에서는, 일함수가 비슷한 두 금속 Au와 Pd에 대해, 온도에 따른 접촉 저항의 크기 변화를 비교함으로써, 그래핀과 금속 간의 결합 길이가 금속에 따른 접촉 저항의 크기에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
먼저 소자의 전기적 특성 분석에 적합한 그래핀을 고르기 위해 다양한 전사 방법을 이용하여 준비된 그래핀 소자의 특성을 비교해 보았다. 결과적으로 공정 및 분석의 용이함과, 비교적 이상적인 그래핀의 특성을 유지하는 건식 전사 방법을 이용한 그래핀을 사용하기로 하였다.
접촉 저항은 TLM 패턴을 이용한 외삽법을 통해 추출되었으며, 350K에서 150K까지 50K 단위로, 게이트 바이어스가 디락 전압을 기준으로 -50V인 곳에서 측정되었다. 그 결과, 그래핀-금속 간의 결합 길이가 더 큰 Au를 전극으로 사용했을 때, 접촉 저항의 온도 의존성이 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
그래핀-금속의 접촉 저항에 대한 이해에 한걸음 더 다가감으로써, 본 연구는 앞으로 그래핀 기반 전자 소자의 성능 향상을 위한 중요한 밑바탕이 될 것으로 보인다.
