日前，自然通讯（Nature Communications）期刊发表了伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程学院科研人员发布的重要发现——立方碳化硅(3C-SiC)块状晶体的导热系数仅次于金刚石单晶，这与之前文献中的结论大相径庭。
a )3C-SiC 和6H-SiC的原子结构；b) 3C-SiC 2 英寸晶圆的图片，尺子的单位是厘米；c)3C-SiC 晶体的拉曼光谱；d )3C-SiC 的X射线衍射(XRD)；e区域轴拍摄的3C-SiC的高分辨率STEM图像。插图：STEM图像的快速傅立叶变换(FFT)；f区域轴上拍摄的3C-SiC的选定区域电子衍射图案。
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(k)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k的潜力，但了解较少。
研究人员对文献中关于3C-SiC的实测热导率一直存在一个困惑：3C-SiC低于结构更复杂的6H-SiC相，并且低于理论预测的k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）。研究人员发现，之前遇到的问题是晶体质量和纯度差，导致过去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。Air Water Inc.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。“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。”
本次研究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k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。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34943-w
来源：粉体圈
