掺杂被广泛应用于半导体领域，改善半导体电学特性。随着电子器件尺寸不断缩小，功率密度不断增大，散热问题日益成为制约先进芯片技术继续微缩的关键瓶颈，特别是下一代三维堆叠芯片与高功率/高频宽禁带半导体器件。相比于文献中掺杂对半导体电性影响的研究，掺杂对半导体导热性能的影响较少，特别是一些特殊的声子散射机制。针对上述问题，程哲课题组联合国内外合作者，通过先进的单晶生长工艺、高分辨率结构表征技术与高精度热测量方法，实现了对高质量硼掺立方碳化硅（3C-SiC）单晶体在不同掺杂浓度下热导率的精确测量，并深入分析了共振声子散射的机制。研究结果表明，硼掺杂浓度为4x1019cm-3时，3C-SiC样品热导率出现了约50%的下降，降幅为常见半导体中掺杂导致热导率下降的最高水平。热导率下降的核心机制为，硼原子取代碳原子后，破坏原有四面体对称结构，引发声子共振散射。声子共振散射理论为Robert O Pohl教授（程哲研究员的导师的导师）提出，本研究为该理论机制提出六十多年以来首次在半导体中严格实验观测到。立方碳化硅为可以生长大晶圆的材料中导热系数第二高的材料，而且可以和硅外延集成，有望应用于3D-IC的转接板以及氮化镓射频/功率器件的衬底。该工作会对3D-IC以及射频/功率器件的热管理产生重要影响。本研究以“Experimental observation of extremely strong defect–phonon scatterings in cubic SiC single crystals”为题发表在Applied Physics Reviews，博士生黄子丰为第一作者，程哲研究员为通讯作者。国际合作者包括日本大阪市立大学 Jianbo Liang副教授和Naoteru Shigekawa教授。全文链接： https://doi.org/10.1063/5.0304005
本工作得到国家自然科学基金面上项目、原创探索项目和国家重点研发计划项目的支持。
图1. 常见半导体材料掺杂中，硼掺杂3C-SiC的热导率下降幅度最大
