杂质和缺陷对SiC单晶导热性能的影响

綦正超，许庭翔，刘学超，王 丁

(1.上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093；2.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050)

0 引 言

碳化硅(SiC)晶体是一种重要的第三代半导体材料，与第一代半导体硅(Si)晶体、第二代半导体砷化镓(GaAs)晶体为代表的材料相比，SiC晶体具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高、电子饱和漂移速率高、抗辐照等优异的材料特性，是制造新一代高温、高频、大功率电子元器件的核心基础材料，在新型电力电子器件、光电器件、微波器件、紫外探测器件等方面具有广泛的应用需求[1]。SiC晶体具有优异的导热特性，以其为衬底材料制成的大功率器件可以在多种极端环境下使用[2]。在300 K以下，SiC单晶的热导率高于金属铜[3]，目前报道的SiC晶体热导率(300 K温度下)差异比较大，可以查到的资料覆盖270～490 W·m-1·K-1[4-5]范围。根据固体物理学理论，晶体材料的热导率可由公式(1)表述：

(1)

Slack等[3]研究发现掺杂的SiC晶体热导率测量值明显小于高纯SiC晶体，提出了导电杂质会影响声子散射从而降低热导率的机理。Serrano等[9]在研究SiC晶体材料和器件时发现，在整个布里渊区内的声子散射对研究热导率具有重要意义，声子会通过声子-电子散射影响载流子在器件内的运动。Morelli等[10]结合Wiedemann-Franz定律(κe

综上所述，有多种复杂因素可以对SiC晶体热导率产生影响，主要包括晶型、晶向、温度、杂质、缺陷、载流子等，这也是报道的SiC晶体的热导率呈现较大差距的原因。SiC晶体材料的导热特性，尤其是不同温度下热导率的变化对SiC电子器件的应用具有重要的影响。……