立方碳化硅晶圆导热系数高仅次于金刚石

伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程研究人员团队解决了一个长期存在的难题，即文献中立方碳化硅 (3C-SiC) 块状晶体的导热系数测量值低于结构更复杂的六方相 SiC 多型体(6H-碳化硅)。新测得的块状3C-SiC导热系数在英寸级大晶体中的导热系数位居第二，仅次于金刚石。

David Cahill 教授(Grainger 工程杰出主席兼 IBM-伊利诺伊州发现加速器研究所联合主任)和 Zhe Cheng 博士(博士后)报告了 3C-SiC 晶体的各向同性高导热率超过 500 W m -1 K - 1 . 该团队与总部位于日本的 Air Water, Inc 合作，在 UIUC 的MRL 激光和光谱套件中进行热导率测量，以生长高质量的晶体。他们的结果最近发表在Nature Communications 上。

碳化硅 (SiC) 是一种广泛用于电子应用的宽带隙半导体，具有多种晶型(多型体)。在电力电子领域，一个重大挑战是高局部热通量的热管理，这可能导致设备过热以及设备性能和可靠性的长期下降。具有高导热率 (κ) 的材料在热管理设计中至关重要。六方相 SiC 多型体(6H 和 4H)使用最广泛，研究也最广泛，而立方相 SiC 多型体(3C)虽然具有最佳电子性能和更高 κ 的潜力，但了解较少。Cahill 和 Zhe 解释说，文献中关于 3C-SiC 的实测热导率一直存在一个困惑：3C-SiC 低于结构更复杂的 6H-SiC 相，并且低于理论预测的 κ 值。这与预测的结构复杂性和热导率负相关的理论相矛盾(随着结构复杂性的增加，热导率应该下降)。

哲说，3C-SiC“不是一种新材料，但研究人员之前遇到的问题是晶体质量和纯度差，导致他们测得的热导率低于碳化硅的其他相。” 3C-SiC 晶体中含有的硼杂质会导致异常强烈的共振声子散射，从而显着降低其热导率。

Air Water Inc. 生产的晶圆级 3C-SiC 块状晶体采用低温化学气相沉积法生长，具有高晶体质量和纯度。该团队从高纯度和高晶体质量的 3C-SiC 晶体中观察到高导​​热性。Zhe 说：“在这项工作中测得的 3C-SiC 块状晶体的热导率比结构更复杂的 6H-SiC 高约 50%，这与结构复杂性和热导率呈负相关的预测一致。此外，生长在硅衬底上的3C-SiC薄膜具有创历史新高的面内和跨面热导率，甚至高于同等厚度的金刚石薄膜。”

在这项工作中测得的高导热率使 3C-SiC 在英寸级晶体中仅次于单晶金刚石，在所有天然材料中具有最高的 κ 值。然而，对于热管理材料，金刚石受到成本高、晶圆尺寸小、难以与其他半导体集成等限制。3C-SiC 比金刚石便宜，可以很容易地与其他材料集成，并且可以生长到大晶圆尺寸，使其成为一种合适的热管理材料或具有高导热性的优良电子材料，可用于可扩展制造。Cahill 说，“3C-SiC 独特的热学、电学和结构特性组合可以通过将其用作有源元件(电子材料)或热管理材料来彻底改变下一代电子产品，” 因为 3C-SiC 在所有 SiC 多晶型中具有最高的热导率，有助于促进器件冷却并降低功耗。3C-SiC 的高导热性有可能影响电力电子、射频电子和光电子等应用。

该论文的其他作者包括：Jianbo Liang(大阪城市大学物理与电子学系副教授)、Keisuke Kawamura(Air Water Inc. SIC 部门)、Hao Zhou(犹他大学机械工程系)、Hidetoshi Asamura(Air Water Inc. 电子部特种材料部)、Hiroki Uratani(Air Water Inc. SIC 部门)、Janak Tiwari(犹他大学机械工程系)、Samuel Graham(George W. Woodruff 机械学院佐治亚理工学院工程系)、Yutaka Ohno(东北大学材料研究所)、Yasuyoshi Nagai(东北大学材料研究所)、Tianli Feng 犹他大学机械工程系)和 Naoteru Shigekawa(教授，物理与电子系，大阪都立大学)。