石墨烯奈米元件之接觸電阻

本次實驗使用相同條件之製程參數，所製作石墨烯奈米元件之室溫電阻值分 布在9.5 kΩ ~29.1 kΩ 之間，樣品編號分別為 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，在 7 組實驗數據當中，我們取一組代表性的樣品 S6 進行分析討論，圖 5.9 為樣品

而呈現歐姆接觸 (Ohmic contact)，量測所得電流與電壓關係為石墨烯的本質 (Intrinsic)特性，因為對於固定電流(-0.1 µA 至 0.1 µA)範圍量測下，電流與電壓會 呈現線性關係的另ㄧ因素可能是來自於所對應之電壓範圍不夠大的關係，因此，

為了釐清石墨烯奈米元件是否存在接觸電阻的問題，我們同樣以 S6 樣品來 做討論，量測其外加偏壓下，源極至汲極之電流受背向閘極電壓的影響，也稱之 為閘極效應 (gate effect)量測，如圖 5.10 所示，利用閘極效應量測得到之實驗數 據結果，配合石墨烯的狄拉克點之觀念，以及求得之載子遷移率，來說明我們的 元件可能存在著接觸電阻，且對於石墨烯的本質特性有一定的影響。

-4 0 -20 0 2 0 4 0 6 0

0.7 0 0.7 5 0.8 0 0.8 5 0.9 0

S6

V a ccu m , T = 3 00 K V_{d s}= 0 .0 1 V

I ds (µA)

V_g (V )

圖5.10 石墨烯奈米元件(S6)外加閘極電壓下，電流與閘極電壓關係圖(真空室溫 環境下，Vds = 0.01 V)。

圖5.10 為樣品 S6 在室溫真空 (~3×10^-2 torr)環境下，源極至汲極電壓 Vds固 定在0.01 V 下之閘極效應量測數據圖，圖中可以清楚觀察到源極至汲極電流 Ids

隨著閘極電壓Vg的變化而改變，Vg由-30 V 逐漸增加時，Ids逐漸減小，當Vg = 40 V 時，Ids有一最小值約0.695 µA，Vg 大於 40V 時，Ids逐漸增加，這意味著元件 隨著 Vg 的變化有一最小之電導率(或最大電阻率)，此處稱為狄拉克點，這是石 墨烯材料特有的物理性質，因此，從上述結果可以推斷我們所量得的數據確實存 在 石 墨 烯 之 特 性 ， 接 著 利 用 3.2.2 節 方 式 計 算 S6 樣 品 之 載 子 遷 移 率

1 _ds

Sample R_300K

S4 15.7 1.84 1.83 15.76

S5 10.4 0.66 0.40 17.28

S6 10.2 1.11 1.89 6.00

S7 9.5 1.00 1.95 4.91

Sample R_300K ( kΩ)

S4 15.7 1.84 1.83 15.76

S5 10.4 0.66 0.40 17.28

S6 10.2 1.11 1.89 6.00

source

R

source

source

R

source

R R

R

圖5.11 石墨烯奈米元件之結構剖面示意圖。

為了更進ㄧ步驗證接觸電阻R 在 S1~S7 元件裡所佔的比例，可由圖 5.12 元_c 件 總 電 阻 對 L / W 作 圖 來 觀 察 ， 元 件 總 電 阻 可 另 表 示 為

L W

total g c g c

R =R +R =ρ +R ，其中ρ_g為石墨烯本質電阻率，圖中實心點為量測數 據，直線為線性擬合結果，擬合之直線斜率為石墨烯本質電阻率約3.5 kΩ，直線 與Y 軸截距為接觸電阻值約 7.5 kΩ，石墨烯電阻率約 3.5 kΩ 並不合理，因為實 驗數據仍有散亂分布之結果所致，原因來自於膠帶撕貼法無法有效地控制石墨烯 之物理尺寸，因而電極與石墨烯之接觸面積無法固定，導致每個元件之接觸電阻 值有所差異，雖然此數值無法用來計算每個元件之實際電阻率與接觸電阻值，但 經由擬合之數值可以發現，接觸電阻在整個元件佔有重要比重，不容忽略，因此，

實驗量測所得之數據必定包含金屬電極與石墨烯接觸接面的效應。

圖5.12 S1~S7 樣品之室溫電阻值與 L / W 關係圖。

我們猜測電極與石墨烯接觸電阻的來源之一可能是鈦氧化物 (TiOx)的生 成，理由如下：因為實驗上我們選用金作為電極材料來製造奈米元件，由於金的 導電率小，活性低且穩定，因此是較佳的電極材料，而我們使用的矽基板表面有 成長300 nm的二氧化矽，金與二氧化矽之間的附著度不好，若將金膜直接蒸鍍在 二氧化矽基板上，金電極會容易脫落，而導致量測上的困難，因此，必須尋找一 中間媒介，來強化金電極與矽基板之間的附著力，而鈦材料能與金和石墨烯間產

生毆母接觸(因為同為金屬材料)，又能穩定的固定在二氧化矽上，所以我們採用 鈦來作為中間媒介。在熱蒸鍍過程當中，可能因腔體真空度、溫度等環境因素而 使鈦膜間產生鈦氧化物 (TiOx)半導體，當鈦氧化物增加時，意味著半導體之無序 程度也隨之增加。

鈦氧化物為無序半導體材料，此材料之功函數為 4.3 eV，石墨烯之功函數為 4.5 eV[8]，相關材料之功函數如圖 5.13(a)所示，當半導體與金屬之功函數無法匹 配時，則二材料的接觸面會造成蕭特基接觸，進而產生位能障，如圖 5.13(b)所