立方碳化硅晶圆导热率仅次于金刚石

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。

DavidCahill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ZheCheng博士(博士后)报告了3C-SiC晶体的各向同性高导热率超过500Wm-1K-1.该团队与总部位于日本的AirWater,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NatureCommunications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，文献中一直存在关于3C-SiC热导率测量的长期难题：3C-SiC低于结构更复杂的6H-SiC相，测量值低于理论预测的κ价值。

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。

AirWaterInc.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，3C-SiC在硅衬底上生长的薄膜具有创纪录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具有最高的热所有SiC多型体之间的导电性，有助于促进器件冷却和降低功耗。

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。

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