原子尺度下石墨烯晶体管源漏接触电阻的调控机理研究

Graphene’s high intrinsic carrier mobility has drawn much attention. However, the high contact resistance between the source/drain and graphene limits the application of high-speed graphene-based transistors. The objective of this project is to understand the fundamental role played by the metal/graphene interface in device electrical performance by using in-situ high resolution transmission electron microscope (TEM). This project aims: explore the electrical performance of the graphene transistor under electric loadings (DC and AC) as well as the electrical field induced structure/composition evolution of the metal/graphene interface; manipulate the metal/graphene interface nanostructure with various metal materials, fabrication processes and post annealing processes; study the transistor’s electrical performance tuned by metal/graphene interface nanostructure, crystal phase, defects or chemical components; understand the key parameters to achieve low source/drain contact resistance. This dynamic study of graphene-based transistor at atomic scale provides the fundamental understanding of the electrical transport mechanism at the source/drain electrodes and graphene interface, and paves a way for the investigations into improving the stability and scalability of graphene-based transistor for future high-speed nanoelectronics.

理想的石墨烯具有超高的载流子迁移率，有望替代硅作为晶体管沟道材料，但源漏电极与石墨烯的接触电阻高是目前限制其应用的重要因素之一。本项目拟利用高分辨原位透射电子显微技术对器件施加外场（电场或热场）并动态监测器件电学性能，研究石墨烯晶体管源漏接触电阻调控的基础科学问题。通过探索金属/石墨烯界面在直流、脉冲等电负载下的结构和电学行为演化规律，研究电极材料、制备工艺、后处理工艺等对金属/石墨烯界面特性的影响，分析金属/石墨烯界面结构、晶相、缺陷、化学成分等对石墨烯晶体管电学性能的调控机制，研究降低石墨烯晶体管源漏接触电阻的关键条件。本项目旨在揭示石墨烯晶体管源漏电阻的影响因素，阐明金属/石墨烯界面对器件电学性能的调控机制，为研发高速以及高可靠性石墨烯晶体管提供指导依据。

石墨烯的电子迁移率在室温下远高于传统硅基器件，有望应用于新一代高速电子器件中。石墨烯与金属电极的接触电阻是阻碍高速石墨烯晶体管发展的关键问题。本项目搭建的高性能透射电镜原位电学平台，能够分析最小为10飞安的感应电流，实现了从原子尺度实时表征电子材料接触界面的结构和成分与其电学性能的关系。本项目利用搭建的透射电镜原位电学平台分析了在电场击穿过程中氧化铝和砷化铟镓基底上二氧化锆介质层晶体缺陷和电学性能的动态演变过程与机理。通过制备具有不同电极材料的石墨烯电子器件，结合电学分析和拉曼表征，系统地研究了金、银、铝、钛、镍、铬等金属电极与石墨烯的接触特性。用转换长度测量方法，计算发现金属镍与石墨烯接触电阻率最小。拉曼分析表明在界面处与石墨烯发生强相互作用的金属如镍、钛，会导致石墨烯的2D峰展宽和劈裂，表明镍、钛和石墨烯的接触为化学吸附。本项目还研究了具有层状多孔结构的石墨烯复合材料与银电极的接触效应，并制备了压阻传感器。研究表明，通过抽滤自组装产生的石墨烯复合材料的层状蓬松结构，是石墨烯压阻传感器具有超快动态压力响应的关键因素。本研究揭示了石墨烯晶体管源漏电阻的影响因素，阐明了金属/石墨烯界面对器件电学性能的调控机制，并取得了丰硕的研究成果，为新一代石墨烯基高速电子器件的发展奠定了科学基础。