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紅外熱成像比較石墨烯器件的自熱誘發(fā)失效

石墨烯具有超過200,000 cm2/Vs的遷移率和高達(dá)2,000 W / mK的導(dǎo)熱率,因此在傳輸能量方面極為有效。由于這種效率,石墨烯繼續(xù)被眾多微電子和光電應(yīng)用所追求。不管最終使用什么,每種追求的共同點都是實際需要以實用的規(guī)模將該二維材料(2D)連接到三維(3D)世界中。例如,可以從多個供應(yīng)商處以接近晶片尺寸(約2英寸)獲得在銅上使用化學(xué)氣相沉積(CVD)合成的石墨烯。通過將碳化硅(SiC)從硅(Si)升華而實現(xiàn)的外延(Epi)石墨烯僅受支撐基板尺寸的限制。

然而,提供規(guī)模的相同合成過程也會引起形態(tài)缺陷,從而限制了器件性能。外延和CVD合成均會導(dǎo)致不均勻?qū)訑?shù)較小的區(qū)域,這會增加電阻。CVD設(shè)備需要進(jìn)行層轉(zhuǎn)移,這會引起遷移率降低的皺紋和層間碎屑。同樣,應(yīng)變會引起皺紋,從而限制了外延器件的移動性。在這里,這些形態(tài)的缺陷顯示出驅(qū)動石墨烯器件的自熱和最終失效。

 

圖為裸外延石墨烯器件的拉曼光譜和紅外熱成像

 

僅從熱阻的角度來看,外延石墨烯提供了一種最小化自發(fā)熱和最大化功耗的途徑。碳化硅在室溫下的導(dǎo)熱率約為硅的3倍。此外,由于外延石墨烯是直接在SiC的頂部合成的,因此不存在將石墨烯與導(dǎo)熱性更高的襯底分開的絕熱介電層。雖然CVD石墨烯向SiC的轉(zhuǎn)移可以利用襯底的高導(dǎo)熱性,但較弱的范德華力鍵合會導(dǎo)致界面處的熱阻較大

覆蓋外延石墨烯器件的拉曼光譜和熱成像

圖為覆蓋外延石墨烯器件的拉曼光譜和紅外熱成像

 

但是,自加熱并非僅由熱阻決定,而是由產(chǎn)生熱量的區(qū)域決定。局部發(fā)熱的因素會加劇其影響。在這里,結(jié)合紅外熱成像技術(shù),比較了由化學(xué)氣相沉積(CVD)和外延手段合成的石墨烯器件的自熱誘發(fā)失效。證明了石墨烯器件中局部發(fā)熱的形態(tài)缺陷最終決定了其功率處理能力。具體而言,在SiC器件上外延石墨烯的擊穿功率顯示為<3倍,而在類似襯底上由CVD石墨烯制成的可比較器件。紅外熱成像獲得的溫度分布表明,差異是由于合成過程中的形態(tài)特征所引起的熱局部化而引起的??偠灾?,結(jié)果表明,石墨烯的形態(tài)而不是系統(tǒng)的熱阻決定了石墨烯可以承受的功率。

 

 

參考資料:

Thomas E. Beechem, Ryan A. Sha?er, John Nogan, et al. Self-Heating and Failure in Scalable Graphene Devices. Scientific Reports. 6:26457, 2016.