高精度TLM测量技术：在金属-石墨烯接触电阻表征中的应用研究

石墨烯作为最具代表性的二维材料，凭借其卓越的电学性能在高性能电子器件领域展现出巨大应用潜力。然而，金属-石墨烯接触电阻问题一直是制约其实际应用的瓶颈。接触电阻可占石墨烯场效应晶体管(GFET)总电阻的50%以上，显著影响器件性能。

Xfilm埃利测量专注于电阻/方阻及薄膜电阻检测领域创新研发与技术突破。本文基于Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪，系统评估了TLM在金属-石墨烯接触电阻表征中的可靠性问题。

 

本研究设计了精密的TLM测试结构。该结构由一系列不同沟道长度(LCH，5-50μm)和固定宽度(W=20μm)的GFET组成。基底采用p型硅衬底，热氧化生成85nm厚的SiO2介电层，通过化学气相沉积(CVD)制备单层石墨烯并转移至基底上。为全面评估接触特性，研究选择了三种常见接触金属：镍(Ni)、铜(Cu)和金(Au)，其功函数分别为5.0eV、4.7eV和5.2eV。

总电阻RT与LCH的关系

典型TLM结构GFET的IDS-VBG曲线

实验在300K的超高真空环境(<10-6mbar)下进行，测量不同LCH的GFET在不同背栅电压(VBG)下的源漏电流(IDS)，绘制典型的IDS-VBG曲线。曲线中清晰可见狄拉克点(DP)，即石墨烯电导率最低点，其位置VDP因金属掺杂和界面杂质的影响而略有偏移。

TLM原理

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根据TLM原理，总电阻RT可表示为：

其中RSH为石墨烯薄层电阻，RC为接触电阻。通过测量不同LCH器件的RT值并进行线性拟合，可从斜率得到RSH，从截距得到2RC。

然而，在实际应用中，研究者发现了两个突出问题：

提取的RC值离散性大

在狄拉克点附近常出现负的RC值

RSH和RC与VBG的关系

统计分析显示，原始数据的相对误差在某些情况下高达600%，这显然无法满足科研和工程需求。

VDP补偿技术

/Xfilm

 

RSH和RC的相对误差

应用公式计算得出的RSH(a)和RC(b)相对于VBG的相对误差。对于RSH误差较小，而对于RC值在VDP≈-10V时误差巨大。

为解决VDP偏移问题，通过将所有GFET的IDS-VBG曲线沿电压轴平移，使其VDP对齐。这一操作确保在比较不同LCH器件的RT时处于相同的载流子浓度状态。

补偿后的RT-LCH关系

改进方法的效果显著：

RC曲线变化：补偿后RC在狄拉克点附近的异常凹陷消失

误差大幅降低：从原始数据的±300%降至改进后的±15%（采用3σ准则排除异常值）

金属对比一致性：三种金属接触均表现出类似的改进效果

异常值排除前后的RC

蒙特卡罗模拟设计

/Xfilm

 

金(Au)接触附近石墨烯层中沿传输方向的空穴密度分布示意图

本研究开发了基于粒子蒙特卡罗（Particle-in-Cell MC）方法的二维模拟器，自洽求解石墨烯中载流子的Dirac方程和泊松方程。

模拟特别关注了金属接触边缘的电荷分布和伪结电阻(RJUN)的形成机制。金属接触会静电掺杂下方的石墨烯，导致接触边缘形成载流子浓度台阶。理论认为这可能引入额外的结电阻RJUN，使总接触电阻变为：

蒙特卡罗模拟显示：

金(Au)接触（功函数5.2 eV）使石墨烯呈p型掺杂，形成p-p⁺结

结区延伸范围ΔL < 10 nm（远小于LCH，ΔL/LCH < 0.2%）

对应的RJUN≈100 Ω·μm（仅为RC的10%）

蒙特卡罗模拟的结电阻RJUN与弹道模型对比

这表明伪结对RC的贡献有限，忽略RJUN引入的误差小于10%，远小于TLM提取过程本身的统计误差。尽管TLM假设RC与LCH无关，但RJUN的存在仅产生次要影响。

本研究系统评估了TLM法在金属-石墨烯接触电阻测量中的可靠性问题，主要发现：

VDP偏移是导致RC提取误差的主要原因

通过补偿VDP偏移和3σ异常值排除策略可将精度提升20倍

不同金属接触的RC存在显著差异，金(Au)因界面缺陷较少表现出最低接触电阻（与功函数理论矛盾的机制需进一步研究）

接触边缘伪结的贡献有限（RJUN~100 Ω·μm）

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

/Xfilm

 

 

Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。■ 静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%■ 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm■ 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换■ 定制多种探测头进行测量和分析

本文基于传输线法（TLM）系统评估了金属-石墨烯接触电阻的测量可靠性，通过Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪高精度测试技术与蒙特卡罗模拟相结合，揭示了误差来源并提出了创新性解决方案。

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

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