【器件论文】将单层石墨烯转移到 β-Ga₂O₃ 上作为基极功率器件应用中的扩散阻挡层

        由韩国世宗大学的研究团队在学术期刊 ACS Nano 发布了一篇名为 Transferred Graphene Monolayer to β-Ga₂O₃ as a Diffusion Barrier for Base Power Device Applications（将单层石墨烯转移到 β-Ga₂O₃ 上作为基极功率器件应用中的扩散阻挡层）的文章。

摘要

        通过高温退火，可以显著改善器件金属接触的质量，这有助于增强晶体结构并减少污染。然而，高温退火也可能不利地恶化金属/半导体界面，导致金属因氧原子的相互扩散而发生氧化。实验研究了高温退火后，钨（W）接触界面在 β-Ga₂O₃ 外延层上的氧化作用，造成 W/β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBDs）的电气不稳定性。为了应对高温退火后钨晶体结构改善与钨表面氧化之间的权衡难题，研究团队提出采用层解析石墨烯转移（LRGT）技术，将石墨烯单层剥离并转移到 β-Ga₂O₃ 上，作为 β-Ga₂O₃ 表面的氧扩散屏障。石墨烯单层的插入展现了一个干净且陡峭的 W/β-Ga₂O₃ 界面，避免了氧的相互混合。这使得 β-Ga₂O₃ SBDs 的漏电流稳定，分别为 4.34 × 10^–5 A/cm²、2.97 × 10^–5 A/cm² 和 2.55 × 10^–5 A/cm²，分别对应于未退火、400 °C 退火和 600 °C 退火的器件。此外，所有器件的肖特基势垒高度稳定在约 0.80 eV，理想因子为 2。值得注意的是，击穿电压在约 −200 V 时保持稳定，相较于其他已报道的 β-Ga₂O₃ 器件，这一值较低。然而，本文的关键成就在于器件性能对退火温度的最小依赖性，这一结果直接归因于石墨烯单层的引入。这凸显了使用石墨烯的主要目标：提高基于 β-Ga₂O₃ 器件的热稳定性，促进其在高温环境下的更可靠性能。此外，石墨烯单层的插入提高了热稳定性，使器件在高达 150 °C 的温度下稳定工作，肖特基势垒高度和理想因子在与未使用石墨烯的对比器件中表现出显著差异。通过使用 SILVACO TCAD 模拟，观察到石墨烯单层在显著改善 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中的散热方面发挥了至关重要的作用。这些稳定的器件参数，以及石墨烯单层插入后的结果，为石墨烯单层作为有效扩散屏障材料在 β-Ga₂O₃ 中的作用提供了有力的解释，从而改善其在高功率器件中的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16458