高压、低温下砷化镓和碳化硅热输运特性研究

摘要

热输运特性作为评价半导体材料能量转换效率和散热性能的重要指标，在空间技术、能源技术、材料科学、信息技术和微机电系统等领域中扮演着重要角色。热输运特性是材料的固有属性，但也受外界环境的影响，如对压力和温度都具有依赖性。高压可以改变半导体材料弹性模量、声速、声子态密度和界面键合力等，是改善半导体材料性能的重要途径。低温强烈地影响半导体材料的声子平均自由程，进而影响其内部载流子的散射机制。因此，研究高压、低温条件对半导体材料热输运特性的影响具有重要意义。 本文采用双波长飞秒激光抽运-探测热反射法（TDTR）分别结合金刚石对顶砧（DAC）系统和低温系统来实现高压、低温条件下材料热物性的非接触测量，该方法的特点是通过光加热、光测量、光谱测压，样品处于独立空间中，压力范围可达0-500GPa，温度范围可达4-2000K，是其他热输运特性表征方法无法实现的。 通过设计高压样品台和DAC原位成像系统以及加工低温样品腔调整架，将TDTR系统分别与高压系统和低温系统有机结合在一起。通过激光发散角改变、光束整形、光斑精确定位以及谐振滤波等手段，对TDTR光路系统和信号采集系统进行了优化，使系统信噪比提升了3个数量级。基于自由参数与待测参数之间相对敏感度的概念，进行了多参数测量的敏感度分析，建立了TDTR实验测量的误差分析方法。 实验获得了0-25GPa压力范围GaAs热导率以及Au/GaAs界面热导随压力变化规律。采用第一性原理结合玻尔兹曼输运方程计算了相同压力范围的GaAs声子比热容、群速度、弛豫时间，进而获得了GaAs热导率。理论计算与实验测量结果趋势一致。 实验获得了4-300K温度范围6H-SiC热导率以及Al/6H-SiC界面热导的随温度变化规律。采用第一性原理结合玻尔兹曼输运方程计算了100-1000K温度范围内6H-SiC和3C-SiC热导率，采用DMM模型计算了Al/6H-SiC界面热导。理论计算与实验测量结果一致。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 半导体材料热输运特性及其需求情况

1.1.2 压力及温度对热输运特性影响规律的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 砷化镓和碳化硅热输运特性及其压力、温度依赖性

1.2.2 热输运特性测量方法

1.2.3 高压和低温系统

1.3 本文研究内容

2 高压、低温条件热输运特性的表征方法

2.1 双波长飞秒激光抽运-探测热反射实验系统

2.1.1 实验原理

2.1.2 实验系统组成

2.2 高压、低温环境实现方法

2.2.1 金刚石对顶砧系统

2.2.2 低温系统

2.3 实验系统标定

2.3.1 标准样品TDTR测试

2.3.2 高压条件标定

2.4 本章小结

3 TDTR原理及信号处理方法

3.1 热输运模型

3.1.1 单层膜结构热输运模型

3.1.2 多层膜结构及界面热输运模型

3.3 周期脉冲加热及采样信号

3.4 敏感度及误差分析方法

3.5 本章小结

4 高压条件下GaAs热输运特性表征

4.1 高压GaAs样品制备

4.2 GaAs热导率和Au/GaAs界面热导的压力依赖性

4.3 实验结果的不确定度分析

4.4 GaAs热导率压力依赖性第一性原理计算

4.4.1 计算方法与参数

4.4.2 计算结果与讨论

4.5 本章小结

5 低温条件下SiC热输运特性的表征

5.1 6H-SiC样品预处理

5.2 6H-SiC热导率和Al/6H-SiC界面热导的温度依赖性

5.3 实验结果的不确定度分析

5.4 SiC热导率和Al/SiC界面热导温度依赖性的理论计算

5.5 本章小结

结论

一、本文研究结论

二、创新点

三、未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢