石墨烯与金属欧姆接触电阻研究进展

王顺冲 孙宁宁

摘 要：石墨烯在半导体器件领域具有广阔的应用前景，然而石墨烯和金属电极之间较大的接触电阻不利于石墨烯本征优异性能的发挥。本文梳理了石墨烯与金属接触的重要专利技术，并给出了技术发展的路线图。

关键词：石墨烯；金属；接触电阻

中图分类号：TN304.18；TN386 文献标识码：A 文章编号：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 石墨烯材料在半导体器件中的应用

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在二维平面，碳原子以sp2杂化轨道相连接，碳原子相互围成正六边形的平面蜂窝形结构。石墨烯具有高载流子迁移率，是一种优异的半导体材料。2004年，科学家通过机械剥离的方式制备出石墨烯。自此以后，石墨烯作为明星材料，被应用于诸多领域。在半导体器件领域，石墨烯在高频器件、传感器、超级电容器和锂电池等方面都具有良好的应用前景。然而，石墨烯与金属的接触电阻较大，这会导致寄生参量、测试得到的电学性能与理论值相差较大，石墨烯与金属接触电阻是影响石墨烯器件性能的最重要因素之一。

2 影响石墨烯与金属之间接触电阻的因素

2.1 石墨烯表面的清洁度

石墨烯的制备方法包括机械剥离和在铜箔上通过化学气相沉积方法等。在制备半导体器件时，石墨烯需要转移到绝缘衬底或其他所需衬底。在转移衬底的过程中，通常使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。在制备器件的光刻工艺中，石墨烯往往会与光刻胶接触。以上过程将使石墨烯表面不可避免地残留PMMA和光刻胶。这些污染物会影响石墨烯和金属之间的接触电阻。通常通过对石墨烯进行退火处理以减少上述污染物。

2.2 接触方式

石墨烯和金屬的接触方式包括面接触和边缘接触。面接触为石墨烯二维平面和金属层相结合，边缘接触为金属层仅与石墨烯层的边缘进行接触。部分实验结果表明，石墨烯与金属的接触电阻是由边缘接触长度而不是接触面积决定[1]。而对于面接触，金属层的厚度存在一个最佳值，当金属层的厚度为临界厚度时，接触电阻存在最小值。为了减少接触电阻，采用双面金属与石墨烯接触也是一个有效途径，一方面能增加导电面积；另一方面，金属的覆盖能进一步避免石墨烯表面的污染。

2.3 金属材料的种类

目前，石墨烯与金属接触的机理尚未完全清楚，金属和石墨烯之间相互作用存在强弱的差别，润湿性也不同。实验结果表明，金属材料的不同，其与石墨烯接触电阻也存在较大差异。

2.4 石墨烯掺杂及结构处理

通过离子注入对石墨烯进行掺杂，提高石墨烯的载流子浓度，也能降低金属和石墨烯的接触电阻。然而，离子注入将会破坏石墨烯的结构，对器件性能产生不良影响。

研究石墨烯结构对接触电阻的影响也是当前的研究热点。通过电子束或聚焦离子束处理石墨烯，在石墨烯中引入缺陷，增加导电通道；或者通过在边缘形成纳米条带结构，增加与金属的接触面积；也可在石墨烯中形成凹槽，增加与金属的接触面积，进而减少接触电阻。

3 石墨烯与金属接触电阻专利技术分析

本文主要对石墨烯和金属接触电阻的专利技术进行分析，以期为相关产业或研发人员提供帮助。

3.1 石墨烯和金属接触电阻申请量概括

图1给出了石墨烯和金属接触电阻专利的各首次申请国申请量区域分布。从图上可以看出，中国在该领域占据第一位，份额达63%，其次为美国，占25%，然后是日本、德国和韩国。

3.2 石墨烯和金属接触电阻专利技术分支情况

图2为石墨烯和金属接触电阻专利技术分支申请量份额。

从图2可以看出，在石墨烯和金属接触电阻专利申请中，涉及石墨烯结构处理的申请量最多，其次是金属层的处理、石墨烯表面污染物去除、石墨烯掺杂及金属和石墨烯双面接触。

石墨烯结构的处理主要包括对石墨烯结构进行裁剪，形成纳米条带；在石墨烯中引入缺陷，对石墨烯形貌的设置，如形成凹槽等，还包括对石墨烯层数的选择。金属层的处理包括金属材料的选择及金属层厚度等参数的设置。

3.3 石墨烯和金属接触电阻专利主要申请人技术分析

3.3.1 中国科学院微电子所。其专利申请布局涵盖了多个技术分支：CN102593006A采用金属掩膜，实现光刻胶与石墨烯的隔离，最大程度减少残余光刻胶对石墨烯与金属接触的影响。CN104253015A通过离子注入，调整界面处的离子注入浓度，施加退火工艺，降低接触电阻。CN104282541A使石墨烯和钌金属发生反应，形成较好的金属接触，之后再与互联金属接触。CN105789039A将石墨烯和金属的接触结构设置为梳型，提高了电流注入效率，降低器件接触电阻。CN105914158A采用金属和石墨烯双面接触及自对准工艺，排除光刻胶的影响，形成更多的边缘接触结构。

3.3.2 复旦大学。CN104157561A通过调整金属层的厚度，确定最佳厚度金属层，进而获得最小的接触电阻。

3.3.3 IBM。US2013/0134391A1对石墨烯进行掺杂，提高石墨烯的载流子浓度。US2013/0299782A1通过控制器件的形成工艺流程，采用自对准栅工艺，降低接触电阻。US2013/0337620A1采用电子束或聚焦离子束去掉不需要的碳键，形成所需的碳悬挂键，进而与金属进行稳定的结合。

3.3.4 日立公司。US2010/0270512A1通过调整石墨烯与金属面接触的选择面积来调控接触电阻的大小，当石墨烯与金属的接触面积为适宜数值时，接触电阻具有最小值。US2011/0198558A1通过在石墨烯与金属接触的区域形成凹槽，提高有效接触面积，进而减少接触电阻。JP特开2012-138451A通过对石墨烯进行掺杂，降低接触电阻。

4 结语

本文梳理了石墨烯和金属接触电阻的研究技术路线，降低石墨烯与金属的接触电阻的方法主要包括减少石墨烯表面的污染物、对石墨烯掺杂、调控石墨烯的结构、在石墨烯中引入缺陷和调整金属层的材料及厚度等。研究石墨烯和金属接触的内在机制及综合考虑多个因素的影响有助于进一步降低石墨烯和金属的接触电阻。

参考文献：

[1]闫祥宇，粟雅娟，贾昆鹏，等.石墨烯/金属接触研究进展[J].微纳电子技术，2017（11）：745-751.