硅锗外延薄膜中的声子输运及调控研究

发布时间：2020-06-21 00:40

【摘要】：作为第一代半导体,硅和锗半导体的研究和应用一直备受关注。除了在以微电子为主的半导体行业的广泛应用外,硅锗合金材料还在热电转换、光电探测、高速逻辑器件等领域发挥着巨大的作用。值得一提的是在热电应用方面,硅锗材料由于优异的综合性能被运用到最前沿的太空探测器的能源转换器件上。其中备受关注的热传导性质尤其是微纳尺度上的传热机理一直是研究的热点。但是对于硅锗合金薄膜的研究却一直局限于低锗含量即锗组分低于50%,主要原因是合金薄膜与衬底(通常为硅)的晶格失配随着锗组分的增加而变大,致使材料的晶体质量下降,影响表征和机理分析。本论文针对SiGe合金薄膜中的声子输运及调控,以Si(100)衬底上外延的一系列高质量的Si1-xGex(0x≤1)外延薄膜为研究对象,运用时域热反射法测量并获得薄膜垂直方向的热导率,分析了组分、厚度、温度等因素对热导率的影响。运用玻尔兹曼传热方程和Callaway模型,对Si1-xGex(0x≤1)薄膜中的热输运进行了理论分析,研究了多种散射机制对于薄膜传热的影响。主要研究成果包括:1.研究了组分对合金薄膜热导率的影响,其中薄膜热导率与组分的关系呈现U型曲线,在x=0.18-0.77区间热导率变化很小,当x=0.32时,薄膜热导率最低(2.05W/mK),验证了声子的合金散射;2.获得了厚度对于Sii-xGe(0x≤1)薄膜的作用,观测到明显的弹道输运现象,并且随着厚度的增加,声子传热模型由弹道输运转变为扩散输运,发现Si1-xGex中声子平均自由程要大于1 μm;3.在50-300K的变温热导率测量中,我们进一步的验证了Si1-xGex(0x≤1)薄膜的合金特性,通过声子弛豫时间的计算分析了声子的主要散射机制,并通过声子谱的计算解释了整个温区的热导率变化规律;4.此外,我们还测量了Al/Si、Al/Ge金属/半导体界面的热导,通过界面处理有效的提高了界面热导,提出了改善界面散热的方法。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

第一章绪论逡逑材料热导率，在诸如：Ｂｉ２Ｔｅ３／Ｓｂ２Ｔｅ３超晶格薄膜［１８，１９］、ＰｂＳｅａ９８Ｔｅａ0２／Ｐｂ点超晶格［２0．２１］以及ＳｉＧｅ／Ｓｉ超晶格薄膜甚至Ｓｉ纳米线等结构中实现优值，现阶段科研工作者对热电材料实验研究汇总如下图１．２．１邋（ｃ）所示；［２４］低材料维度之外，人们还通过提高材料表面粗糙度等表面工程、核壳通道ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ邋ｃｈａｎｎｅｌ）、纳米孔状材料（ｎａｎｏｍｅｓｈｅｓ）等方式提高热电转换效率。逡逑

图１．２．２文献报道的ＳｉＧｅ合金热导率汇总Ｉ３６］逡逑工作者对硅锗材料热输运的研究由来已久，［￥３0］见图１．２．２．我们于三维材料或者一维材料，人们已经获得了全组分测量结果，而对料的热导率研究则更多的局限于低锗组分，即锗的含量小于０．５，究人们很难得到高质量的高锗组分ＳｉＧｅ薄膜材料。然而正如我们在上

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本文编号：2723215