日本研究人員已經(jīng)證明，立方碳化硅薄膜的熱導(dǎo)率可以高于金剛石。

       由大阪都立大學(xué)工學(xué)研究生院的梁建波副教授和直川直徹教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用熱導(dǎo)率評(píng)估和原子級(jí)分析表明，立方版本3C-SiC表現(xiàn)出相當(dāng)于理論水平的高導(dǎo)熱系數(shù)。

       首先，他們展示了3C-SiC大塊晶體，使用來(lái)自大阪供應(yīng)商Air Water Inc的化學(xué)物質(zhì)在小硅片上生長(zhǎng)，表現(xiàn)出500 W/mK的高導(dǎo)熱性，僅次于金剛石。然后，他們表明，0.75 um的3C-SiC晶體薄膜可以表現(xiàn)出比金剛石更高的熱導(dǎo)率，具有創(chuàng)紀(jì)錄的面內(nèi)和橫面熱導(dǎo)率。

       在室溫下測(cè)量的3C-SiC的熱導(dǎo)率與其他高熱導(dǎo)晶體的晶圓尺寸的函數(shù)進(jìn)行了比較。陰影部分包括來(lái)自大晶體的數(shù)據(jù)。

       該結(jié)果解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題，即3C-SiC的熱導(dǎo)率文獻(xiàn)值低于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的6H-SiC。高熱導(dǎo)率源于3C-SiC晶體的高純度和高晶體質(zhì)量，避免了異常強(qiáng)烈的缺陷-聲子散射。

       3C-SiC是一種可以外延生長(zhǎng)在硅上的SiC多型，并且3C-SiC- Si的熱邊界電導(dǎo)是半導(dǎo)體界面中最高的。這表明，3C-SiC薄膜是一種優(yōu)秀的寬帶隙半導(dǎo)體，可作為有源元件和襯底應(yīng)用于下一代電力電子器件。

       原子水平的分析，以調(diào)查為什么他們能夠測(cè)量以前沒(méi)有觀察到的高導(dǎo)熱率。他們發(fā)現(xiàn)3C-SiC晶體幾乎不含雜質(zhì)：晶體中的原子有規(guī)律地排列，表明單晶質(zhì)量非常高。

       此外，他們?cè)诠枰r底上形成3C-SiC晶體，并對(duì)界面的熱導(dǎo)率進(jìn)行了原子級(jí)分析，發(fā)現(xiàn)界面處的原子排列沒(méi)有明顯的無(wú)序，并表現(xiàn)出高導(dǎo)熱性。

       “獨(dú)立的3C-SiC晶體和硅襯底上的薄膜都具有很高的導(dǎo)熱性，我們預(yù)計(jì)可以以低成本制造大直徑晶圓。這將在電子設(shè)備的實(shí)際水平上改善散熱?！?/p>

       研究結(jié)果發(fā)表在 Nature Communications 上。

       Cheng, Z., Liang, J., Kawamura, K. et al. High thermal conductivity in wafer-scale cubic silicon carbide crystals. Nat Commun 13, 7201 (2022). 

       https://doi.org/10.1038/s41467-022-34943-w

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