日前，自然通訊（Nature Communications）期刊發(fā)表了伊利諾伊大學(xué)香檳分校材料科學(xué)與工程學(xué)院科研人員發(fā)布的重要發(fā)現(xiàn)——立方碳化硅(3C-SiC)塊狀晶體的導(dǎo)熱系數(shù)僅次于金剛石單晶，這與之前文獻(xiàn)中的結(jié)論大相徑庭。

a )3C-SiC 和6H-SiC的原子結(jié)構(gòu)；b) 3C-SiC 2 英寸晶圓的圖片，尺子的單位是厘米；c)3C-SiC 晶體的拉曼光譜；d )3C-SiC 的X射線(xiàn)衍射(XRD)；e區(qū)域軸拍攝的3C-SiC的高分辨率STEM圖像。插圖：STEM圖像的快速傅立葉變換(FFT)；f區(qū)域軸上拍攝的3C-SiC的選定區(qū)域電子衍射圖案。

碳化硅(SiC)是一種廣泛用于電子應(yīng)用的寬帶隙半導(dǎo)體，具有多種晶型（多型體）。在電力電子領(lǐng)域，一個(gè)重大挑戰(zhàn)是高局部熱通量的熱管理，這可能導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱以及設(shè)備性能和可靠性的長(zhǎng)期下降。具有高導(dǎo)熱率(k)的材料在熱管理設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。六方相SiC多型體（6H和4H）使用最廣泛，研究也最廣泛，而立方相SiC多型體（3C）雖然具有最佳電子性能和更高k的潛力，但了解較少。

研究人員對(duì)文獻(xiàn)中關(guān)于3C-SiC的實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率一直存在一個(gè)困惑：3C-SiC低于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的6H-SiC相，并且低于理論預(yù)測(cè)的k值。這與預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和熱導(dǎo)率負(fù)相關(guān)的理論相矛盾（隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，熱導(dǎo)率應(yīng)該下降）。研究人員發(fā)現(xiàn)，之前遇到的問(wèn)題是晶體質(zhì)量和純度差，導(dǎo)致過(guò)去測(cè)得的熱導(dǎo)率低于碳化硅的其他相。”3C-SiC晶體中含有的硼雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致異常強(qiáng)烈的共振聲子散射，從而顯著降低其熱導(dǎo)率。Air Water Inc.生產(chǎn)的晶圓級(jí)3C-SiC塊狀晶體采用低溫化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)，具有高晶體質(zhì)量和純度。該團(tuán)隊(duì)從高純度和高晶體質(zhì)量的3C-SiC晶體中觀察到高導(dǎo)熱性。“在這項(xiàng)工作中測(cè)得的3C-SiC塊狀晶體的熱導(dǎo)率比結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的6H-SiC高約50%，這與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和熱導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)的預(yù)測(cè)一致。此外，3C-SiC在硅襯底上生長(zhǎng)的薄膜具有創(chuàng)紀(jì)錄的面內(nèi)和跨面熱導(dǎo)率，甚至高于同等厚度的金剛石薄膜。”

本次研究工作中測(cè)得的高導(dǎo)熱率使3C-SiC在英寸級(jí)晶體中僅次于單晶金剛石，在所有天然材料中具有最高的k值。然而，對(duì)于熱管理材料，金剛石受到成本高、晶圓尺寸小、難以與其他半導(dǎo)體集成等限制。3C-SiC比金剛石便宜，可以很容易地與其他材料集成，并且可以生長(zhǎng)到大晶圓尺寸，使其成為一種合適的熱管理材料或具有高導(dǎo)熱性的優(yōu)良電子材料，可用于可擴(kuò)展制造。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34943-w

審核編輯 ：李倩