石墨烯與金屬歐姆接觸電阻研究進展

王順沖 孫寧寧

摘 要：石墨烯在半導體器件領域具有廣闊的應用前景，然而石墨烯和金屬電極之間較大的接觸電阻不利于石墨烯本征優異性能的發揮。本文梳理了石墨烯與金屬接觸的重要專利技術，并給出了技術發展的路線圖。

關鍵詞：石墨烯；金屬；接觸電阻

中圖分類號：TN304.18；TN386 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0145-02

Progress in the Study of The Contact Resistance of Graphene and Metal Ohm

Wang Shunchong Sun Ningning

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， SIPO，Zhengzhou Henan 450008）

Abstract： Graphene is a promising material for various semiconductor divices. The graphene/metal contact resistance is a key limitation for devices performences. This paper summarized the main technoloy developments in patent documents and the technical route map was also provided.

Keywords： graphene； metal；contact resistance

1 石墨烯材料在半導體器件中的應用

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。在二維平面，碳原子以sp2雜化軌道相連接，碳原子相互圍成正六邊形的平面蜂窩形結構。石墨烯具有高載流子遷移率，是一種優異的半導體材料。2004年，科學家通過機械剝離的方式制備出石墨烯。自此以后，石墨烯作為明星材料，被應用于諸多領域。在半導體器件領域，石墨烯在高頻器件、傳感器、超級電容器和鋰電池等方面都具有良好的應用前景。然而，石墨烯與金屬的接觸電阻較大，這會導致寄生參量、測試得到的電學性能與理論值相差較大，石墨烯與金屬接觸電阻是影響石墨烯器件性能的最重要因素之一。

2 影響石墨烯與金屬之間接觸電阻的因素

2.1 石墨烯表面的清潔度

石墨烯的制備方法包括機械剝離和在銅箔上通過化學氣相沉積方法等。在制備半導體器件時，石墨烯需要轉移到絕緣襯底或其他所需襯底。在轉移襯底的過程中，通常使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。在制備器件的光刻工藝中，石墨烯往往會與光刻膠接觸。以上過程將使石墨烯表面不可避免地殘留PMMA和光刻膠。這些污染物會影響石墨烯和金屬之間的接觸電阻。通常通過對石墨烯進行退火處理以減少上述污染物。

2.2 接觸方式

石墨烯和金屬的接觸方式包括面接觸和邊緣接觸。面接觸為石墨烯二維平面和金屬層相結合，邊緣接觸為金屬層僅與石墨烯層的邊緣進行接觸。部分實驗結果表明，石墨烯與金屬的接觸電阻是由邊緣接觸長度而不是接觸面積決定[1]。而對于面接觸，金屬層的厚度存在一個最佳值，當金屬層的厚度為臨界厚度時，接觸電阻存在最小值。為了減少接觸電阻，采用雙面金屬與石墨烯接觸也是一個有效途徑，一方面能增加導電面積；另一方面，金屬的覆蓋能進一步避免石墨烯表面的污染。

2.3 金屬材料的種類

目前，石墨烯與金屬接觸的機理尚未完全清楚，金屬和石墨烯之間相互作用存在強弱的差別，潤濕性也不同。實驗結果表明，金屬材料的不同，其與石墨烯接觸電阻也存在較大差異。

2.4 石墨烯摻雜及結構處理

通過離子注入對石墨烯進行摻雜，提高石墨烯的載流子濃度，也能降低金屬和石墨烯的接觸電阻。然而，離子注入將會破壞石墨烯的結構，對器件性能產生不良影響。

研究石墨烯結構對接觸電阻的影響也是當前的研究熱點。通過電子束或聚焦離子束處理石墨烯，在石墨烯中引入缺陷，增加導電通道；或者通過在邊緣形成納米條帶結構，增加與金屬的接觸面積；也可在石墨烯中形成凹槽，增加與金屬的接觸面積，進而減少接觸電阻。

3 石墨烯與金屬接觸電阻專利技術分析

本文主要對石墨烯和金屬接觸電阻的專利技術進行分析，以期為相關產業或研發人員提供幫助。

3.1 石墨烯和金屬接觸電阻申請量概括

圖1給出了石墨烯和金屬接觸電阻專利的各首次申請國申請量區域分布。從圖上可以看出，中國在該領域占據第一位，份額達63%，其次為美國，占25%，然后是日本、德國和韓國。

3.2 石墨烯和金屬接觸電阻專利技術分支情況

圖2為石墨烯和金屬接觸電阻專利技術分支申請量份額。

從圖2可以看出，在石墨烯和金屬接觸電阻專利申請中，涉及石墨烯結構處理的申請量最多，其次是金屬層的處理、石墨烯表面污染物去除、石墨烯摻雜及金屬和石墨烯雙面接觸。

石墨烯結構的處理主要包括對石墨烯結構進行裁剪，形成納米條帶；在石墨烯中引入缺陷，對石墨烯形貌的設置，如形成凹槽等，還包括對石墨烯層數的選擇。金屬層的處理包括金屬材料的選擇及金屬層厚度等參數的設置。

3.3 石墨烯和金屬接觸電阻專利主要申請人技術分析

3.3.1 中國科學院微電子所。其專利申請布局涵蓋了多個技術分支：CN102593006A采用金屬掩膜，實現光刻膠與石墨烯的隔離，最大程度減少殘余光刻膠對石墨烯與金屬接觸的影響。CN104253015A通過離子注入，調整界面處的離子注入濃度，施加退火工藝，降低接觸電阻。CN104282541A使石墨烯和釕金屬發生反應，形成較好的金屬接觸，之后再與互聯金屬接觸。CN105789039A將石墨烯和金屬的接觸結構設置為梳型，提高了電流注入效率，降低器件接觸電阻。CN105914158A采用金屬和石墨烯雙面接觸及自對準工藝，排除光刻膠的影響，形成更多的邊緣接觸結構。

3.3.2 復旦大學。CN104157561A通過調整金屬層的厚度，確定最佳厚度金屬層，進而獲得最小的接觸電阻。

3.3.3 IBM。US2013/0134391A1對石墨烯進行摻雜，提高石墨烯的載流子濃度。US2013/0299782A1通過控制器件的形成工藝流程，采用自對準柵工藝，降低接觸電阻。US2013/0337620A1采用電子束或聚焦離子束去掉不需要的碳鍵，形成所需的碳懸掛鍵，進而與金屬進行穩定的結合。

3.3.4 日立公司。US2010/0270512A1通過調整石墨烯與金屬面接觸的選擇面積來調控接觸電阻的大小，當石墨烯與金屬的接觸面積為適宜數值時，接觸電阻具有最小值。US2011/0198558A1通過在石墨烯與金屬接觸的區域形成凹槽，提高有效接觸面積，進而減少接觸電阻。JP特開2012-138451A通過對石墨烯進行摻雜，降低接觸電阻。

4 結語

本文梳理了石墨烯和金屬接觸電阻的研究技術路線，降低石墨烯與金屬的接觸電阻的方法主要包括減少石墨烯表面的污染物、對石墨烯摻雜、調控石墨烯的結構、在石墨烯中引入缺陷和調整金屬層的材料及厚度等。研究石墨烯和金屬接觸的內在機制及綜合考慮多個因素的影響有助于進一步降低石墨烯和金屬的接觸電阻。

參考文獻：

[1]閆祥宇，粟雅娟，賈昆鵬，等.石墨烯/金屬接觸研究進展[J].微納電子技術，2017（11）：745-751.