低温单晶硅器件中热输运的精确控制

我们报告了在 1 K 以下测量的多模单晶硅梁的扩散 - 弹道热导。研究表明，声子平均自由程 $\ell$ 是梁表面粗糙度特性的强函数。这种效应在长度远大于 $\ell$ 的扩散型梁中尤为显著，即使表面相当光滑（均方根粗糙度为 5-10 nm）且峰值热波长为 0.6 $\mu$m。在具有凹坑表面形貌且特征凹坑深度为 30 nm 的梁中，观察到了共振声子散射。因此，如果表面粗糙度控制不当，跨晶圆制造的扩散型梁的热导可能会发生显著变化。相比之下，当梁长度与 $\ell$ 同数量级时，热导由弹道输运主导，并有效地由梁的横截面积决定。我们证明了弹道梁的分数偏差均匀性为 $\pm$8%，该偏差主要由支撑微机电装置和电气引线的扩散型梁的热导决定。此外，我们在单晶硅膜中未发现过量比热的证据。这使得能够利用正常金属薄膜精确控制器件的热容。我们在远红外和毫米波低温探测器大格式阵列的设计与制造背景下讨论了这些结果。