One dimensional contact resistance in encapsulated graphene : the role of geometry, size and position

The isolation of a free-standing graphene flake from bulk graphite in 2004 by A. K. Geim and K. Novoselov opened the door to the study of two-dimensional materials whose research has so far grown exponentially. Composed of an atomically thick layer of carbon atoms, graphene has so outstanding properties to be an ideal candidate for many applications. For example, its unique band structure and its extremely high carrier mobility, which can reach 2.4*105 cm2V-1s-1, more than 150 times higher compared to the silicon room temperature mobility 1400 cm2V-1s-1), make it very useful for field-effect transistor applications. However, one of the main limiting factors of the high carrier mobility is the phonon scattering, which comes principally from the roughness of the substrate. The SiO2, commonly used in the electronic industry, is so rough to decrease the mobility of more than one order of magnitude. An excellent solution to this problem was developed encapsulating graphene between two hexagonal boron nitride (hBN) layers, creating, in this way, a heterostructure. The choice of hBN as encapsulating material derives from several advantages, such as lattice constant, mechanical properties, impermeability and thermal conductivity similar to those of graphene. Moreover, its insulating properties as well as an atomically flat surface with very few charged impurities make hBN a perfect gate insulator for graphene based transistors, greatly reducing the contamination coming from the environment and avoiding the presence of scattering events detrimental for the high mobility. Unfortunately, according to several works, the primary limitation to device performance is not related to the material quality, but to extrinsic factors that affect the electronic transport properties. One of the most important damaging elements is the contact resistance arising at the interface between graphene and the metal used to create the electrical contacts. Indeed, when electronics are scaled down, it is important to avoid the contact resistance to become significant compared to the channel resistance. High mobility gives high conductivity, but if the contacts are highly resistive, then transistor performance decrease. A surprisingly efficient way to form electrical junction to the buried graphene layer is by a metallic contact to the exposed graphene edge at the fringe of the heterostructure, so that to build a one-dimensional contact. In this way, the contact resistance decreases but only partially since it is also influenced by others factors. The work carried out in this thesis consisted of the fabrication of van der Waals heterostructures from exfoliated graphene and hBN using a thermally controlled assembly, called hot pick-up technique, which allows to obtain a high degree of control in creating the stack. Then, the shape of the devices were outlined through electron-beam lithography and defined using a reactive ion etching process where the removal of hBN and graphene was performed through SF6 and an O2/Ar plasma respectively. Finally, the metal leads (5 nm Cr/ 100 nm Au) were deposited through electron-beam evaporation to create the contacts. Three different influences on the one-dimensional contact resistance between graphene and metals were studied. The theoretically predicted angular dependence, with respect to the graphene lattice orientation, was confirmed by making use of a hard mask etching process, which is more stable with respect to a soft polymer mask. The expected linear dependence of the contact resistance on the contact width was verified, where a larger contact width leads to a lower resistance, due to a higher number of conductive channel. Finally, the effect of the presence of an "arm" was studied. The constant value of the contact resistance leads one to think that the injection of electrons comes mainly from the points near the main channel. Unfortunately, understanding and controlling the transport properties of 1D contacts remains a challenging task, mainly due to the difficulty of obtaining clean and reproducible metal/graphene interfaces. Indeed, considerable device-to-device resistance variations have been observed in literature as well as in the results obtained in this thesis.

Dal momento in cui A. K. Geim e K. Novoselov ottennero un singolo foglio di grafene da un cristallo di grafite nel 2004, la ricerca nel campo dei materiali bidimensionali è cresciuta in modo esponenziale. Composto da un layer atomico di carbonio, il grafene presenta proprietà così eccezionali da renderlo un candidato ideale per molte applicazioni. In elettronica, per esempio, la sua struttura a bande lineare e la sua alta mobilità dei portatori di carica, che può raggiungere 2.4*105 cm2V-1s-1, più di 150 volte più elevata della mobilità del silicio a temperatura ambiente1400 cm2V-1s-1), lo rendono perfetto in transistor a effetto di campo. Ciò nonostante, il fattore che limita maggiormente l'elevata mobilità è lo scattering del fonone, fenomeno principalmente dovuto alla rugosità del substrato su cui il grafene giace. Per esempio, SiO2, comunemente usato nell'industria elettronica, ha una rugosità così elevata da ridurre la mobilità di oltre un ordine di grandezza. Una soluzione eccellente a questo problema è stata sviluppata incapsulando il grafene tra due strati di nitruro di boro esagonale (hBN) creando, in questo modo, un'eterostruttura di van der Waals. La scelta di hBN come materiale incapsulante deriva da numerosi vantaggi, come la costante del reticolo, le proprietà meccaniche, l'impermeabilità e la conduttività termica simili a quelle del grafene. Inoltre le proprietà isolanti e una superficie atomicamente piatta con pochissime impurità permettono di usare l'hBN come protettore, riducendo notevolmente la contaminazione proveniente dall'ambiente, e come substrato piatto, in quanto è in grado di evitare la presenza di eventi di dispersione dannosi per l'elevata mobilità. Tuttavia, la limitazione primaria alle prestazioni dei transistor basati sul grafene non è correlata alla qualità del materiale, ma a fattori estrinseci che influenzano le proprietà di trasporto elettronico. Uno degli elementi che influenzano negativamente è la resistenza di contatto che nasce all'interfaccia tra il grafene e il metallo usato per creare i contatti elettrici. Infatti, quando dispositivi elettronici vengono ridotti in dimensione, è importante evitare che la resistenza di contatto diventi significativa rispetto alla resistenza del canale. L'elevata mobilità offre un'elevata conduttività, ma se i contatti sono altamente resistivi, le prestazioni dei transistor diminuiscono. Un modo sorprendentemente efficiente di formare un contatto elettrico con il grafene incapsulalto è tramite un contatto metallico sul bordo unidimensionale esposto al margine della eterostruttura costruendo un contatto monodimensionale. Ciò permette di ridurre parzialmente la resistenza di contatto che dipende da numerosi fattori. In questa tesi, la fabbricazione di eterostrutture di van der Waals da grafene e hBN esfoliato è stata effettuata utilizzando un assemblamento termicamente controllato, chiamato hot pick-up technique, che consente di ottenere un elevato grado di controllo nella creazione della eterostruttura. Successivamente, mediante litografia a fascio di elettroni è stata delineata la forma dei dispositivi e definita utilizzando un processo di attacco a ioni reattivi (RIE) che prevede la rimozione di hBN in eccesso tramite un plasma costituito da SF6 e la rimozione del grafene in eccesso tramite un plasma costituito da O2/Ar. Infine, i contatti metallici (5 nm Cr/ 100 nm Au) sono stati depositati attraverso l'evaporazione a fascio di elettroni. La caratterizzazione della resistenza a contatto è stata realizzata tramite la tecnica di misurazione a tre terminali che permette di calcolare in modo diretto il valore della resistenza. Sono stati progettati tre diversi dispositivi per studiare il ruolo della geometria, delle dimensioni e della posizione sul valore della resistenza di contatto. I risultati, ottenuti dai dispositivi ad arco, mostrano come aumentando il controllo sul processo di RIE, utilizzando maschere dure come l'alluminio, è possibile rivelare la dipendenza angolare intrinseca della resistenza di contatto. Inoltre è stata verificata la dipendenza lineare della resistenza di contatto sulla sua larghezza. Ossia aumentando la dimensione del contatto angolare la resistenza diminuisce a causa di un maggior numero di canali conduttivi. Infine sono stati fabbricati dispositivi con ``bracci'' di diversa lunghezza uscenti dal canale principale in modo tale da indagare il legame di Rccon la lunghezza del ``braccio''. I risultati mostrano un'indipendenza sul parametro che porta a pensare che la corrente venga iniettata nei due punti più vicini al canale principale. Sfortunatamente, la comprensione e il controllo delle proprietà di trasporto in presenza di contatti monodimensionali rimane una sfida ardua, principalmente a causa della difficoltà di ottenere interfacce metallo/grafene pulite e riproducibili. In effetti, sono state osservate notevoli variazioni di resistenza da dispositivo a dispositivo in letteratura, ma anche nei risultati ottenuti in questa tesi.