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红外热成像检测石墨烯器件的自热诱发失效

日期:2021-03-11 浏览次数:176
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  红外热成像检测石墨烯器件的自热诱发失效

  石墨烯具有超过200,000cm2/Vs的迁移率和高达2,000W/mK的导热率,因此在传输能量方面极为有效。由于这种效率,石墨烯继续被众多微电子和光电应用所追求。不管最终使用什么,每种追求的共同点都是实际需要以实用的规模将该二维材料(2D)连接到三维(3D)世界中。例如,可以从多个供应商处以接近晶片尺寸(约2英寸)获得在铜上使用化学气相沉积(CVD)合成的石墨烯。通过将碳化硅(SiC)从硅(Si)升华而实现的外延(Epi)石墨烯仅受支撑基板尺寸的限制。

  然而,提供规模的相同合成过程也会引起形态缺陷,从而限制了器件性能。外延和CVD合成均会导致不均匀层数较小的区域,这会增加电阻。CVD设备需要进行层转移,这会引起迁移率降低的皱纹和层间碎屑。同样,应变会引起皱纹,从而限制了外延器件的移动性。在这里,这些形态的缺陷显示出驱动石墨烯器件的自热和最终失效。

图为裸外延时墨烯器件的拉曼光谱和红外热成像

  仅从热阻的角度来看,外延石墨烯提供了一种最小化自发热和最大化功耗的途径。碳化硅在室温下的导热率约为硅的3倍。此外,由于外延石墨烯是直接在SiC的顶部合成的,因此不存在将石墨烯与导热性更高的衬底分开的绝热介电层。虽然CVD石墨烯向SiC的转移可以利用衬底的高导热性,但较弱的范德华力键合会导致界面处的热阻较大。

图为覆盖外延石墨烯器件的拉曼光谱和红外热成像

  但是,自加热并非仅由热阻决定,而是由产生热量的区域决定。局部发热的因素会加剧其影响。在这里,结合红外热成像技术,比较了由化学气相沉积(CVD)和外延手段合成的石墨烯器件的自热诱发失效。证明了石墨烯器件中局部发热的形态缺陷最终决定了其功率处理能力。具体而言,在SiC器件上外延石墨烯的击穿功率显示为<3倍,而在类似衬底上由CVD石墨烯制成的可比较器件。红外热成像获得的温度分布表明,差异是由于合成过程中的形态特征所引起的热局部化而引起的。总而言之,结果表明,石墨烯的形态而不是系统的热阻决定了石墨烯可以承受的功率。

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