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

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

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用的寬帶隙半導體，具有多種晶型（多型體）。在電力電子領(lǐng)域，一個重大挑戰(zhàn)是高局部熱通量的熱管理，這可能導致設(shè)備過熱以及設(shè)備性能和可靠性的長期下降。具有高導熱率(k)的材料在熱管理設(shè)計中至關(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。

研究人員對文獻中關(guān)于3C-SiC的實測熱導率一直存在一個困惑：3C-SiC 低于結(jié)構(gòu)更復雜的6H-SiC相，并且低于理論預測的k值。這與預測的結(jié)構(gòu)復雜性和熱導率負相關(guān)的理論相矛盾（隨著結(jié)構(gòu)復雜性的增加，熱導率應該下降）。研究人員發(fā)現(xiàn)，之前遇到的問題是晶體質(zhì)量和純度差，導致過去測得的熱導率低于碳化硅的其他相。”3C-SiC晶體中含有的硼雜質(zhì)會導致異常強烈的共振聲子散射，從而顯著降低其熱導率。Air Water Inc.生產(chǎn)的晶圓級3C-SiC塊狀晶體采用低溫化學氣相沉積法生長，具有高晶體質(zhì)量和純度。該團隊從高純度和高晶體質(zhì)量的 3C-SiC 晶體中觀察到高導熱性。“在這項工作中測得的3C-SiC塊狀晶體的熱導率比結(jié)構(gòu)更復雜的6H-SiC高約50%，這與結(jié)構(gòu)復雜性和熱導率呈負相關(guān)的預測一致。此外，3C-SiC在硅襯底上生長的薄膜具有創(chuàng)紀錄的面內(nèi)和跨面熱導率，甚至高于同等厚度的金剛石薄膜。”

本次研究工作中測得的高導熱率使3C-SiC在英寸級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熱性的優(yōu)良電子材料，可用于可擴展制造。

編譯整理 YUXI

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