Профессор Дэвид Кэхилл (заслуженный инженер Грейнджера и содиректор Ускорительного института IBM-Illinois Discovery) и доктор Чжэ Ченг (постдок) сообщают об изотропной высокой теплопроводности кристаллов 3C-SiC, которая превышает 500 Вт м^-1K^-1. Команда сотрудничала с компанией Air Water, Inc, базирующейся в Японии, для выращивания высококачественных кристаллов, при этом измерения теплопроводности проводились в UIUC с помощью MRL Laser and Spectroscopy suite. Их результаты были недавно опубликованы в Природные коммуникации.

Карбид кремния (SiC) - полупроводник с широкой запрещенной зоной, широко используемый в электронных приложениях и имеющий различные кристаллические формы (политипы). В силовой электронике серьезной проблемой является терморегулирование высокого локализованного теплового потока, который может привести к перегреву устройств и снижению производительности и надежности устройств в долгосрочной перспективе. Материалы с высокой теплопроводностью (κ) имеют решающее значение при проектировании систем терморегулирования. Политипы SiC с гексагональной фазой (6H и 4H) являются наиболее широко используемыми и тщательно изученными, в то время как политип SiC с кубической фазой (3C) менее изучен, несмотря на то, что он потенциально обладает лучшими электронными свойствами и более высоким κ. Кэхилл и Чжэ объясняют, что существует давняя загадка о измеренная теплопроводность 3C-SiC в литературе: 3C-SiC ниже, чем у структурно более сложной фазы 6H-SiC, и измеряется ниже теоретически предсказанного значения κ. Это противоречит предсказанной теории о том, что структурная сложность и теплопроводность обратно пропорциональны (по мере увеличения структурной сложности теплопроводность должна снижаться).

Чжэ говорит, что 3C-SiC "не является новым материалом, но проблема, с которой исследователи сталкивались раньше, заключается в низком качестве и чистоте кристаллов, что приводит к измерению более низкой теплопроводности, чем у других фаз карбида кремния". Примеси бора, содержащиеся в кристаллах 3C-SiC, вызывают исключительно сильное резонансное рассеяние фононов, что значительно снижает их теплопроводность.

Объемные кристаллы 3C-SiC в виде пластин, произведенные компанией Air Water Inc., были выращены методом низкотемпературного химического осаждения из паровой фазы и имели высокое качество кристаллов и чистоту. Команда наблюдала высокую теплопроводность благодаря высокой чистоте и высокому качеству кристаллов 3C-SiC. Чжэ говорит, что "измеренная теплопроводность объемных кристаллов 3C-SiC в этой работе на ~ 50% выше, чем у структурно более сложного 6H-SiC, что согласуется с предсказаниями о том, что структурная сложность и теплопроводность обратно пропорциональны. Более того, тонкие пленки 3C-SiC, выращенные на Si-подложках, обладают рекордно высокой внутренней и поперечной теплопроводностью, даже выше, чем у алмазных тонких пленок эквивалентной толщины."

Высокая теплопроводность, измеренная в этой работе, ставит 3C-SiC на второе место после монокристаллического алмаза среди кристаллов дюймового масштаба, который имеет самый высокий κ среди всех природных материалов. Однако использование алмаза в качестве материалов для терморегулирования ограничено его высокой стоимостью, малым размером пластины и сложностью интеграции с другими полупроводниками. 3C-SiC дешевле алмаза, легко интегрируется с другими материалами и может быть выращен до больших размеров пластин, что делает его подходящим материалом для терморегулирования или отличным электронным материалом с высокой теплопроводностью для масштабируемого производства. Кэхилл говорит: "Уникальное сочетание тепловых, электрических и структурных свойств 3C-SiC может произвести революцию в электронике следующего поколения, используя его в качестве активных компонентов (электронных материалов) или материалов для терморегулирования", поскольку 3C-SiC обладает самой высокой теплопроводностью среди всех политипов SiC и помогает облегчить охлаждение устройства. и снизить энергопотребление. Высокая теплопроводность 3C-SiC потенциально может повлиять на такие области применения, как силовая электроника, радиочастотная электроника и оптоэлектроника.

Среди других авторов статьи: Цзянбо Лян (доцент кафедры физики и электроники Столичного университета Осаки), Кейсуке Кавамура (подразделение SIC, Air Water Inc.), Хао Чжоу (факультет машиностроения, Университет Юты), Хидетоши Асамура (отдел специальных материалов, подразделение электроники, Air Water Inc.). Water Inc.), Хироки Уратани (подразделение SIC, Air Water Inc.), Джанак Тивари (факультет машиностроения, Университет Юты), Сэмюэл Грэм (Школа машиностроения Джорджа У. Вудраффа, Технологический институт Джорджии), Ютака Оно (Институт исследований материалов, Университет Тохоку), Ясуеси Нагаи (Институт материаловедения Университета Тохоку), факультет машиностроения Тяньли Фэн Университета Юты) и Наотеру Сигекава (профессор кафедры физики и электроники Столичного университета Осаки).