施亨宪 杨凯科 骆军委

1) (中国科学技术大学微电子学院, 合肥 230022)

2) (中国科学院半导体研究所, 半导体超晶格国家重点实验室, 北京 100083)

3) (湖南师范大学物理系, 低维量子结构与调控教育部重点实验室, 量子效应及其应用协同创新中心, 长沙 410081)

采用基于玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算方法深入研究了硼基III-V化合物的热导率性质, 与IV族和III-V族半导体进行对比, 发现砷化硼的高热导率主要来源于硼基III-V化合物中声学支和光学支之间存在一个很大的频率带隙, 导致两个声学声子的能量要小于一个光学声子的能量, 无法满足三声子散射的能量守恒要求, 严重遏制了三声子散射几率. 金刚石的高热导率主要来自其拥有极大的声学声子群速度. 磷化硼虽然也拥有较大的声学声子群速度, 但是其频率带隙比较小, 无法有效遏制三声子散射, 所以磷化硼的热导率小于砷化硼; 尽管锑化硼的频率带隙与砷化硼相当, 但是由于其拥有较小的声学声子群速度和较大的耦合矩阵元, 导致锑化硼的热导率低于砷化硼. 该研究为设计高热导率半导体材料提供了新的认识.

1 引 言

过去半个多世纪在摩尔定律驱动下晶体管的尺寸不断缩小, 每单位面积集成晶体管数量越来越多, 功率越来越大, 对电子器件的散热能力提出了更高的要求. 低热耗散材料严重制约电子和光子设备的性能和功效, 有效地热传递和热管理已成为下一代微处理器、集……