Graphene Heterostructures with Wide Bandgap Semiconductors

Graphene (Gr) is a two dimensional material constituted by an atomically thin carbon membrane, characterized by a unique combination of excellent electrical, optical, thermal and mechanical properties. Its main limitation for microelectronic applications is related to the lack of a bandgap, leading to a poor Ion/Ioff ratio when it is considered as channel material for MOSFET devices. Novel device concepts based on Gr heterostructures with semiconductors are currently under consideration, in order to overcome these limitations. These devices are based on the vertical current transport through Gr interfaces with semiconductors or thin insulators. Their working principle exploits some unique properties of Gr, such as the atomic thickness and the field effect modulation of its workfunction. Some demonstrations of these devices, recently reported in the literature, have been based on the integration of Gr with Si technology. This thesis work has been focused on the fabrication and the electrical characterization of high quality heterostructures of Gr with wide bandgap semiconductors (WBS), such as Silicon Carbide (4H-SiC), Gallium Nitride (GaN) and related alloys (AlxGa1-xN), which present superior properties for high power and high frequency electronic applications. At first, the fabrication methods have been discussed, i.e. (i) the controlled graphitization of the surface by high temperature thermal annealing, for 4H SiC; (ii) a highly reproducible transfer method to move Gr, grown by CVD on copper foils, to the surface of AlGaN/GaN heterostructures. A detailed structural, morphological and spectroscopic characterization of these Gr/WBS heterostructures has been carried out by the joint application of several analytical techniques, such as AFM; TEM, micro-Raman spectroscopy. Secondly, the current transport mechanisms through these heterostructures have been investigated in details by properly fabricated test devices and by nanoscale resolution electrical characterization techniques (CAFM, SCM). A correlation between the nanoscale structural, morphological and electrical properties of the interfaces with the devices average electrical behavior has been achieved. Basing on these results, some potential devices applications (such as the Gr/SiC Schottky diode with a gate modulated barrier and the hot electron transistor constituted by a Gr/AlGaN/GaN heterostructures with a Gr base) have been discussed and their advantages with respect to the Si counterparts have been estimated.

Il Grafene (Gr) è un materiale bidimensionale costituito da una membrana carboniosa di spessore atomico, caratterizzata da una peculiare combinazione di eccellenti proprietà elettriche, ottiche, termiche e meccaniche. La sua principale limitazione per applicazioni nell'ambito della microelettronica è legata all'assenza di un bandgap, che si ripercuote in uno scarso rapporto Ion/Ioff se utilizzato come canale di dispositivi di tipo MOSFET. Allo scopo di superare queste limitazioni, nuove concezioni di dispositivo basate su eterostrutture di Gr su semiconduttori sono state recentemente prese in considerazione. Il loro principio di funzionamento sfrutta alcune proprietà specifiche del Gr, fra cui lo spessore atomico e la possibilità di modulare la sua funzione lavoro per effetto di campo. Alcune dimostrazioni di questi dispositivi, recentemente riportate in letteratura, si basano su Gr integrato alla corrente tecnologia del silicio. La presente attività di tesi è stata indirizzata verso la fabbricazione e la caratterizzazione elettrica di eterostrutture di alta qualità, costituite da Gr su semiconduttori ad ampio bandgap (WBS), come il carburo di silicio (4H-SiC), il nitruro di gallio (GaN) e le relative leghe (AlxGa1-xN) ,peculiari per le loro proprietà superiori nell'ambito delle applicazioni in alta potenza e alta frequenza. Inizialmente, sono state affrontate le metodiche di fabbricazione e cioè: (i) il processo di grafitizzazione controllata della superficie di SiC, attraverso annealing termico ad alta temperatura, nel caso de 4H-SiC; (ii) un metodo di trasferimento altamente riproducibile per spostare Gr cresciuto tramite CVD su foglio di rame, verso la superficie dell'eterostruttura AlGaN/GaN; Una dettagliata caratterizzazione, strutturale, morfologica e spettroscopia delle suddette heterostrutture Gr/WBS è stata condotta attraverso l'applicazione di varie tecniche di analisi (AFM, TEM, spettroscopia micro-Raman). Successivamente, i meccanismi di trasporto di corrente attraverso tali eterostrutture sono stati dettagliatamente analizzati attraverso l'uso di dispositivi test appositamente fabbricati e attraverso tecniche di caratterizzazione elettrica su nanoscala (CAFM, SCM). É stato possibile osservare la corrispondenza fra le proprietà strutturali, morfologiche ed elettriche su nanoscala e il comportamento elettrico medio su larga scala. Sulla base di questi risultati sono state discusse alcune potenziali applicazioni in dispositivi (fra cui il diodo Schottky Gr/SiC con barriera modulata da un elettrodo di gate e un transistor ad elettroni caldi costituito da eterostrutture Gr/AlGaN/GaN) e sono stati stimati i relativi possibili vantaggi rispetto agli equivalenti dispositivi su silicio.