日前，自然通訊（Nature Communications）期刊發表了伊利諾伊大學香檳分校材料科學與工程學院科研人員發布的重要發現——立方碳化硅(3C-SiC)塊狀晶體的導熱系數僅次于金剛石單晶，這與之前文獻中的結論大相徑庭。

a )3C-SiC 和6H-SiC的原子結構；b) 3C-SiC 2 英寸晶圓的圖片，尺子的單位是厘米；c)3C-SiC 晶體的拉曼光譜；d )3C-SiC 的X射線衍射(XRD)；e區域軸拍攝的3C-SiC的高分辨率STEM圖像。插圖：STEM圖像的快速傅立葉變換(FFT)；f區域軸上拍攝的3C-SiC的選定區域電子衍射圖案。

碳化硅(SiC)是一種廣泛用于電子應用的寬帶隙半導體，具有多種晶型（多型體）。在電力電子領域，一個重大挑戰是高局部熱通量的熱管理，這可能導致設備過熱以及設備性能和可靠性的長期下降。具有高導熱率(k)的材料在熱管理設計中至關重要。六方相SiC多型體（6H和4H）使用最廣泛，研究也最廣泛，而立方相SiC多型體（3C）雖然具有最佳電子性能和更高k的潛力，但了解較少。

研究人員對文獻中關于3C-SiC的實測熱導率一直存在一個困惑：3C-SiC低于結構更復雜的6H-SiC相，并且低于理論預測的k值。這與預測的結構復雜性和熱導率負相關的理論相矛盾（隨著結構復雜性的增加，熱導率應該下降）。研究人員發現，之前遇到的問題是晶體質量和純度差，導致過去測得的熱導率低于碳化硅的其他相。”3C-SiC晶體中含有的硼雜質會導致異常強烈的共振聲子散射，從而顯著降低其熱導率。Air Water Inc.生產的晶圓級3C-SiC塊狀晶體采用低溫化學氣相沉積法生長，具有高晶體質量和純度。該團隊從高純度和高晶體質量的3C-SiC晶體中觀察到高導熱性。“在這項工作中測得的3C-SiC塊狀晶體的熱導率比結構更復雜的6H-SiC高約50%，這與結構復雜性和熱導率呈負相關的預測一致。此外，3C-SiC在硅襯底上生長的薄膜具有創紀錄的面內和跨面熱導率，甚至高于同等厚度的金剛石薄膜。”

本次研究工作中測得的高導熱率使3C-SiC在英寸級晶體中僅次于單晶金剛石，在所有天然材料中具有最高的k值。然而，對于熱管理材料，金剛石受到成本高、晶圓尺寸小、難以與其他半導體集成等限制。3C-SiC比金剛石便宜，可以很容易地與其他材料集成，并且可以生長到大晶圓尺寸，使其成為一種合適的熱管理材料或具有高導熱性的優良電子材料，可用于可擴展制造。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34943-w

審核編輯 ：李倩