石墨烯作為最具代表性的二維材料，憑借其卓越的電學(xué)性能在高性能電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，金屬-石墨烯接觸電阻問(wèn)題一直是制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。接觸電阻可占石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GFET)總電阻的50%以上，顯著影響器件性能。

Xfilm埃利測(cè)量專(zhuān)注于電阻/方阻及薄膜電阻檢測(cè)領(lǐng)域創(chuàng)新研發(fā)與技術(shù)突破。本文基于Xfilm埃利TLM接觸電阻測(cè)試儀，系統(tǒng)評(píng)估了TLM在金屬-石墨烯接觸電阻表征中的可靠性問(wèn)題。

本研究設(shè)計(jì)了精密的TLM測(cè)試結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由一系列不同溝道長(zhǎng)度(LCH，5-50μm)和固定寬度(W=20μm)的GFET組成?；撞捎胮型硅襯底，熱氧化生成85nm厚的SiO2介電層，通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)制備單層石墨烯并轉(zhuǎn)移至基底上。為全面評(píng)估接觸特性，研究選擇了三種常見(jiàn)接觸金屬：鎳(Ni)、銅(Cu)和金(Au)，其功函數(shù)分別為5.0eV、4.7eV和5.2eV。

總電阻RT與LCH的關(guān)系

典型TLM結(jié)構(gòu)GFET的IDS-VBG曲線

實(shí)驗(yàn)在300K的超高真空環(huán)境(<10-6mbar)下進(jìn)行，測(cè)量不同LCH的GFET在不同背柵電壓(VBG)下的源漏電流(IDS)，繪制典型的IDS-VBG曲線。曲線中清晰可見(jiàn)狄拉克點(diǎn)(DP)，即石墨烯電導(dǎo)率最低點(diǎn)，其位置VDP因金屬摻雜和界面雜質(zhì)的影響而略有偏移。

TLM原理

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根據(jù)TLM原理，總電阻RT可表示為：

其中RSH為石墨烯薄層電阻，RC為接觸電阻。通過(guò)測(cè)量不同LCH器件的RT值并進(jìn)行線性擬合，可從斜率得到RSH，從截距得到2RC。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，研究者發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)突出問(wèn)題：

提取的RC值離散性大

在狄拉克點(diǎn)附近常出現(xiàn)負(fù)的RC值

RSH和RC與VBG的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析顯示，原始數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在某些情況下高達(dá)600%，這顯然無(wú)法滿(mǎn)足科研和工程需求。

VDP補(bǔ)償技術(shù)

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RSH和RC的相對(duì)誤差

應(yīng)用公式計(jì)算得出的RSH(a)和RC(b)相對(duì)于VBG的相對(duì)誤差。對(duì)于RSH誤差較小，而對(duì)于RC值在VDP≈-10V時(shí)誤差巨大。

為解決VDP偏移問(wèn)題，通過(guò)將所有GFET的IDS-VBG曲線沿電壓軸平移，使其VDP對(duì)齊。這一操作確保在比較不同LCH器件的RT時(shí)處于相同的載流子濃度狀態(tài)。

補(bǔ)償后的RT-LCH關(guān)系

改進(jìn)方法的效果顯著：

RC曲線變化：補(bǔ)償后RC在狄拉克點(diǎn)附近的異常凹陷消失

誤差大幅降低：從原始數(shù)據(jù)的±300%降至改進(jìn)后的±15%（采用3σ準(zhǔn)則排除異常值）

金屬對(duì)比一致性：三種金屬接觸均表現(xiàn)出類(lèi)似的改進(jìn)效果

異常值排除前后的RC

蒙特卡羅模擬設(shè)計(jì)

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金(Au)接觸附近石墨烯層中沿傳輸方向的空穴密度分布示意圖

本研究開(kāi)發(fā)了基于粒子蒙特卡羅（Particle-in-Cell MC）方法的二維模擬器，自洽求解石墨烯中載流子的Dirac方程和泊松方程。

模擬特別關(guān)注了金屬接觸邊緣的電荷分布和偽結(jié)電阻(RJUN)的形成機(jī)制。金屬接觸會(huì)靜電摻雜下方的石墨烯，導(dǎo)致接觸邊緣形成載流子濃度臺(tái)階。理論認(rèn)為這可能引入額外的結(jié)電阻RJUN，使總接觸電阻變?yōu)椋?/span>

蒙特卡羅模擬顯示：

金(Au)接觸（功函數(shù)5.2 eV）使石墨烯呈p型摻雜，形成p-p?結(jié)

結(jié)區(qū)延伸范圍ΔL < 10 nm（遠(yuǎn)小于LCH，ΔL/LCH< 0.2%）

對(duì)應(yīng)的RJUN≈100 Ω·μm（僅為RC的10%）

蒙特卡羅模擬的結(jié)電阻RJUN與彈道模型對(duì)比

這表明偽結(jié)對(duì)RC的貢獻(xiàn)有限，忽略RJUN引入的誤差小于10%，遠(yuǎn)小于TLM提取過(guò)程本身的統(tǒng)計(jì)誤差。盡管TLM假設(shè)RC與LCH無(wú)關(guān)，但RJUN的存在僅產(chǎn)生次要影響。

本研究系統(tǒng)評(píng)估了TLM法在金屬-石墨烯接觸電阻測(cè)量中的可靠性問(wèn)題，主要發(fā)現(xiàn)：

VDP偏移是導(dǎo)致RC提取誤差的主要原因

通過(guò)補(bǔ)償VDP偏移和3σ異常值排除策略可將精度提升20倍

不同金屬接觸的RC存在顯著差異，金(Au)因界面缺陷較少表現(xiàn)出最低接觸電阻（與功函數(shù)理論矛盾的機(jī)制需進(jìn)一步研究）

接觸邊緣偽結(jié)的貢獻(xiàn)有限（RJUN~100 Ω·μm）

Xfilm埃利TLM電阻測(cè)試儀

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Xfilm埃利TLM接觸電阻測(cè)試儀用于測(cè)量材料表面接觸電阻或電阻率的專(zhuān)用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電子元器件、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體、金屬鍍層、光伏電池等領(lǐng)域?！?strong>靜態(tài)測(cè)試重復(fù)性≤1%，動(dòng)態(tài)測(cè)試重復(fù)性≤3%■ 線電阻測(cè)量精度可達(dá)5%或0.1Ω/cm■ 接觸電阻率測(cè)試與線電阻測(cè)試隨意切換■ 定制多種探測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量和分析

本文基于傳輸線法（TLM）系統(tǒng)評(píng)估了金屬-石墨烯接觸電阻的測(cè)量可靠性，通過(guò)Xfilm埃利TLM接觸電阻測(cè)試儀高精度測(cè)試技術(shù)與蒙特卡羅模擬相結(jié)合，揭示了誤差來(lái)源并提出了創(chuàng)新性解決方案。

原文出處：《Dependability assessment of Transfer Length Method to extract the metal–graphene contact resistance》

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