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文檔簡介
1、半導(dǎo)體材料,尤其是 IVA族半導(dǎo)體材料,由于具有優(yōu)良的性能被廣泛地應(yīng)用于微電子、光電子以及熱電等各個領(lǐng)域,其發(fā)展和應(yīng)用已成為推動國民經(jīng)濟(jì)和人民生活進(jìn)步的重要動力。半導(dǎo)體材料在制備過程中,往往由于制備條件和材料自身性質(zhì)的影響很容易引入界面。雖然單個界面熱阻的數(shù)量級很低,但是當(dāng)器件尺寸下降到納米級別時,由于界面數(shù)量增多,界面熱阻已經(jīng)不能再忽略,而且界面的存在不僅會引入界面熱阻,有時甚至還會影響材料晶內(nèi)的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。盡管界面對熱傳導(dǎo)的影響已經(jīng)
2、得到證實,但是不同類型的界面是否會對熱傳導(dǎo)產(chǎn)生不同的影響以及其具體的作用機(jī)制仍然存在疑問,且解決該問題對于半導(dǎo)體材料的設(shè)計和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。為此,本文以 IVA族半導(dǎo)體材料為研究對象,通過分子動力學(xué)法和第一性原理計算的方法,分別研究了同質(zhì)界面、異質(zhì)界面、孿晶界以及異質(zhì)孿晶界面四種不同類型的界面對半導(dǎo)體材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的影響。
以多晶材料作為研究同質(zhì)界面對半導(dǎo)體材料熱傳導(dǎo)影響的模型。通過理論推導(dǎo)的方法獲得了描述多晶材料熱導(dǎo)
3、率的理論模型。在該模型中,多晶材料的熱導(dǎo)率可以僅由晶粒尺寸、單晶熱導(dǎo)率、單晶聲子平均自由程以及晶界熱阻得到;并通過300K多晶金剛石熱導(dǎo)率的分子動力學(xué)模擬值和和多晶硅的實驗值對該模型進(jìn)行了驗證?;谠摾碚撃P?,還分析了300K、500K多晶硅和300K多晶金剛石中晶界和熱尺寸效應(yīng)對熱導(dǎo)率影響的相對重要性。研究表明:在多晶金剛石和多晶硅中,隨著晶粒尺寸增大,晶界和熱尺寸效應(yīng)對熱導(dǎo)率的影響都在減弱;同時,晶粒尺寸增大,熱尺寸效應(yīng)對熱導(dǎo)率影響
4、的相對重要性增強(qiáng),而晶界的相對重要性減弱。當(dāng)多晶硅和多晶金剛石的晶粒尺寸增加到10000nm時,晶界和熱尺寸效應(yīng)對二者的熱導(dǎo)率幾乎都不產(chǎn)生影響。這個新的理論模型為多晶材料熱導(dǎo)率的計算和預(yù)測提供了簡便的途徑,而且它對于進(jìn)一步理解和研究多晶半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)起著重要的作用。
以金剛石/碳化硅多晶復(fù)合材料作為研究異質(zhì)界面對半導(dǎo)體材料熱傳導(dǎo)影響的模型。通過分子動力學(xué)方法計算了金剛石/碳化硅多晶復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,并將其與Maxwel
5、l模型進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)該模型高估了多晶復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。將熱流起源相同的異質(zhì)和同質(zhì)界面熱阻進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn):異質(zhì)界面的熱阻大于同質(zhì)界面的熱阻,這也是Maxwell模型高估多晶復(fù)合材料熱導(dǎo)率的原因。通過聲子波包法對比分析了旋轉(zhuǎn)角度為0°的金剛石/碳化硅界面和旋轉(zhuǎn)角度為53.13°的金剛石/金剛石、碳化硅/碳化硅界面發(fā)現(xiàn):當(dāng)熱流起源于金剛石時,不同頻率下的金剛石/碳化硅界面熱阻與金剛石/金剛石界面熱阻比值的變化范圍為1.2-2.6,該范圍包括了分子
6、動力學(xué)模擬得到的熱阻比值1.6;當(dāng)熱流起源于碳化硅時,金剛石/碳化硅界面熱阻與碳化硅/碳化硅界面熱阻比值的變化范圍0.17-1.52,也包括了分子動力學(xué)模擬值1.22。因此,在金剛石/碳化硅多晶復(fù)合材料中,當(dāng)熱流起源相同時,異質(zhì)界面處更強(qiáng)烈的聲子散射效應(yīng)是在能量透過系數(shù)和能量透過時間的共同作用下造成的。
以孿晶金剛石超晶格作為研究孿晶界對半導(dǎo)體材料熱傳導(dǎo)影響的模型。通過分子動力學(xué)模擬計算了不同孿晶厚度(0.62-9.92nm)
7、的孿晶金剛石超晶格的熱導(dǎo)率和孿晶界熱阻值。計算結(jié)果表明:孿晶金剛石超晶格的熱導(dǎo)率小于單晶金剛石,它隨著孿晶厚度的增大而增大。在塊體孿晶金剛石超晶格中,孿晶界的熱阻與孿晶厚度無關(guān),其值約為2×10-13m2K/W,比普通晶界的熱阻值低三個數(shù)量級;晶內(nèi)熱阻值與單晶金剛石的熱阻值相等,表明孿晶金剛石熱導(dǎo)率的減小是由孿晶界熱阻引起的,而與熱尺寸效應(yīng)無關(guān)。通過第一性原理計算的方法對比研究了孿晶厚度為0.62nm的孿晶超晶格和單晶金剛石的熱傳導(dǎo)性質(zhì)
8、,結(jié)果發(fā)現(xiàn):孿晶和單晶金剛石中的熱容值幾乎相等,孿晶金剛石超晶格平均群速度的平方與單晶金剛石群速度平方的比值為0.98,二者平均聲子弛豫時間的比值為0.88,表明孿晶界對熱導(dǎo)率的影響與熱容值無關(guān),它是在減小的聲子群速度和減小的弛豫時間的共同作用造成的,而主要的貢獻(xiàn)來源于減小的聲子弛豫時間。
以Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格作為研究異質(zhì)孿晶界面對熱傳導(dǎo)影響的模型。通過分子動力學(xué)方法計算了不同周期長度的Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格的熱導(dǎo)率。
9、結(jié)果表明:當(dāng)周期長度相同時,Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格的熱導(dǎo)率與傳統(tǒng)Si/Ge超晶格的熱導(dǎo)率很接近,但是其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于單晶Si、孿晶Si超晶格和Si0.5Ge0.5合金的熱導(dǎo)率。通過聲子動力學(xué)理論對周期長度為1.932nm的Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格及具有相似結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)Si/Ge超晶格、單晶Si、孿晶Si超晶格和Si0.5Ge0.5合金的熱傳導(dǎo)性質(zhì)發(fā)現(xiàn):300K時5種結(jié)構(gòu)的熱容值幾乎相等;Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格的聲子平均群速度值為3273
10、m/s,它是5種結(jié)構(gòu)中最小的;Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格的平均弛豫時間為5.11ps,遠(yuǎn)小于單晶Si的弛豫時間值。因此,Si/Ge異質(zhì)孿晶界對熱傳導(dǎo)的影響與熱容無關(guān),而是減小的聲子群速度和減小的弛豫時間共同作用的結(jié)果。此外,雖然Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格和傳統(tǒng)Si/Ge超晶格的熱導(dǎo)率很接近,但是這兩種結(jié)構(gòu)中具體的聲子散射機(jī)制是不同的,Si/Ge異質(zhì)孿晶超晶格的平均群速度小于傳統(tǒng)Si/Ge超晶格,而其平均弛豫時間值大于傳統(tǒng)Si/Ge超晶格。我
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