科研進展

摻雜被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，改善半導(dǎo)體電學(xué)特性。隨著電子器件尺寸不斷縮小，功率密度不斷增大，散熱問題日益成為制約先進芯片技術(shù)繼續(xù)微縮的關(guān)鍵瓶頸，特別是下一代三維堆疊芯片與高功率/高頻寬禁帶半導(dǎo)體器件。相比于文獻中摻雜對半導(dǎo)體電性影響的研究，摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)熱性能的影響較少，特別是一些特殊的聲子散射機制。針對上述問題，程哲課題組聯(lián)合國內(nèi)外合作者，通過先進的單晶生長工藝、高分辨率結(jié)構(gòu)表征技術(shù)與高精度熱測量方法，實現(xiàn)了對高質(zhì)量硼摻立方碳化硅（3C-SiC）單晶體在不同摻雜濃度下熱導(dǎo)率的精確測量，并深入分析了共振聲子散射的機制。研究結(jié)果表明，硼摻雜濃度為4 x1019cm-3時，3C-SiC樣品熱導(dǎo)率出現(xiàn)了約50%的下降，降幅為常見半導(dǎo)體中摻雜導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降的最高水平。熱導(dǎo)率下降的核心機制為，硼原子取代碳原子后，破壞原有四面體對稱結(jié)構(gòu)，引發(fā)聲子共振散射。聲子共振散射理論為Robert O Pohl教授（程哲研究員的導(dǎo)師的導(dǎo)師）提出，本研究為該理論機制提出六十多年以來首次在半導(dǎo)體中嚴(yán)格實驗觀測到。立方碳化硅為可以生長大晶圓的材料中導(dǎo)熱系數(shù)第二高的材料，而且可以和硅外延集成，有望應(yīng)用于3D-IC的轉(zhuǎn)接板以及氮化鎵射頻/功率器件的襯底。該工作會對3D-IC以及射頻/功率器件的熱管理產(chǎn)生重要影響。本研究以“Experimental observation of extremely strong defect–phonon scatterings in cubic SiC single crystals”為題發(fā)表在Applied Physics Reviews，博士生黃子豐為第一作者，程哲研究員為通訊作者。國際合作者包括日本大阪市立大學(xué) Jianbo Liang副教授和Naoteru Shigekawa教授。全文鏈接： https://doi.org/10.1063/5.0304005

本工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、原創(chuàng)探索項目和國家重點研發(fā)計劃項目的支持。

圖1. 常見半導(dǎo)體材料摻雜中，硼摻雜3C-SiC的熱導(dǎo)率下降幅度最大