弹性声子耦合在决定原子级尖锐 SiC/Si 界面热传输中的作用
材料科学
2024-01-18 v1
摘要
宽禁带（WBG）半导体因其高电压、射频和耐高温特性，在电力电子领域具有广阔的应用前景。在所有 WBG 半导体中，SiC 因其高迁移率、高热稳定性和高导热性而备受关注。然而，SiC 与相应衬底之间的界面在很大程度上影响 SiC 基电子器件的性能。因此，有必要理解并设计跨 SiC/衬底界面的界面热传输，这对于这些 SiC 基电力电子器件的热管理设计至关重要。本工作采用非平衡分子动力学模拟和扩散失配模型，系统研究了跨 3C-SiC/Si、4H-SiC/Si 和 6H-SiC/Si 界面的热传递。我们发现，3C-SiC/Si、4H-SiC/Si 和 6H-SiC/Si 界面在室温下的界面热导（ITC）分别为 932 MW/m2K、759 MW/m2K 和 697 MW/m2K。我们还表明，室温下弹性散射对 ITC 的贡献分别为：3C-SiC/Si 界面 80%，4H-SiC/Si 界面 85%，6H-SiC/Si 界面 82%。我们进一步发现，弹性散射贡献的 ITC 随温度升高而降低，但即使在 1000 K 的超高温下，仍保持 67%~78% 的高比例。如此高弹性 ITC 的原因是 Si 和 SiC 在低频（< ~ 18 THz）区的振动态密度之间存在大量重叠，扩散失配模型也证明了这一点。有趣的是，我们发现频率高于 Si 截止频率（即 ~18 THz）的声子所产生的非弹性 ITC 可以忽略不计。这可能是因为 Si 和 SiC 之间存在很宽的频率间隙，使得这些声子之间的非弹性散射难以满足能量和动量守恒规则。
引用
@article{arxiv.2401.09212,
title = {Role of Elastic Phonon Couplings in Dictating the Thermal Transport across Atomically Sharp SiC/Si Interfaces},
author = {Qinqin He and Yixin Xu and Haidong Wang and Zhigang Li and Yanguang Zhou},
journal= {arXiv preprint arXiv:2401.09212},
year = {2024}
}