北京大學團隊在APR報道摻雜半導體導熱機理方面取得進展

科研進展

摻雜被廣泛應用于半導體領域，改善半導體電學特性。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繼續微縮的關鍵瓶頸，特別是下一代三維堆疊芯片與高功率/高頻寬禁帶半導體器件。相比于文獻中摻雜對半導體電性影響的研究，摻雜對半導體導熱性能的影響較少，特別是一些特殊的聲子散射機制。針對上述問題，程哲課題組聯合國內外合作者，通過先進的單晶生長工藝、高分辨率結構表征技術與高精度熱測量方法，實現了對高質量硼摻立方碳化硅（3C-SiC）單晶體在不同摻雜濃度下熱導率的精確測量，并深入分析了共振聲子散射的機制。研究結果表明，硼摻雜濃度為4 x1019cm-3時，3C-SiC樣品熱導率出現了約50%的下降，降幅為常見半導體中摻雜導致熱導率下降的最高水平。熱導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構，引發聲子共振散射。聲子共振散射理論為Robert O Pohl教授（程哲研究員的導師的導師）提出，本研究為該理論機制提出六十多年以來首次在半導體中嚴格實驗觀測到。立方碳化硅為可以生長大晶圓的材料中導熱系數第二高的材料，而且可以和硅外延集成，有望應用于3D-IC的轉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 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基金面上項目、原創探索項目和國家重點研發計劃項目的支持。

圖1. 常見半導體材料摻雜中，硼摻雜3C-SiC的熱導率下降幅度最大