Résoudre le casse-tête : la plaquette de carbure de silicium cubique présente une conductivité thermique élevée, juste derrière le diamant

Une équipe de chercheurs en science et ingénierie des matériaux de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a résolu une énigme de longue date concernant les valeurs de conductivité thermique mesurées inférieures des cristaux en vrac de carbure de silicium cubique (3C-SiC) dans la littérature par rapport au polytype SiC à phase hexagonale structurellement plus complexe (6H-SiC). La nouvelle conductivité thermique mesurée du 3C-SiC en vrac a la deuxième conductivité thermique la plus élevée parmi les grands cristaux à l’échelle du pouce, juste derrière le diamant.

Le professeur David Cahill (Grainger Distinguished Chair in Engineering et codirecteur de l’IBM-Illinois Discovery Accelerator Institute) et le Dr Zhe Cheng (Postdoc) rapportent une conductivité thermique isotrope élevée des cristaux 3C-SiC qui dépasse 500 W m-1K-1. L’équipe a collaboré avec Air Water, Inc, basée au Japon, pour développer des cristaux de haute qualité, avec les mesures de conductivité thermique effectuées à l’UIUC dans la suite MRL Laser and Spectroscopy. Leurs résultats ont été récemment publiés dans Communication Nature.

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande interdite couramment utilisé dans les applications électroniques et présente diverses formes cristallines (polytypes). En électronique de puissance, un défi important est la gestion thermique du flux de chaleur localisé élevé qui peut entraîner une surchauffe des appareils et la dégradation des performances et de la fiabilité des appareils à long terme. Les matériaux à haute conductivité thermique (κ) sont essentiels dans la conception de la gestion thermique. Les polytypes SiC à phase hexagonale (6H et 4H) sont les plus largement utilisés et largement étudiés, tandis que le polytype SiC à phase cubique (3C) est moins bien compris, bien qu’il ait le potentiel d’avoir les meilleures propriétés électroniques et un κ plus élevé. Cahill et Zhe expliquent qu’il existe une énigme de longue date concernant la conductivité thermique mesurée du 3C-SiC dans la littérature : le 3C-SiC est inférieur à celui de la phase 6H-SiC structurellement plus complexe et mesure une valeur inférieure au κ théoriquement prédit. évaluer. Ceci est une contradiction de la théorie prédite selon laquelle la complexité structurelle et la conductivité thermique sont inversement liées (à mesure que la complexité structurelle augmente, la conductivité thermique devrait diminuer).

Zhe dit que le 3C-SiC n’est « pas un nouveau matériau, mais le problème que les chercheurs ont eu auparavant est la mauvaise qualité et la pureté des cristaux, ce qui les amène à mesurer une conductivité thermique inférieure à celle des autres phases de carbure de silicium ». Les impuretés de bore contenues dans les cristaux 3C-SiC provoquent une diffusion exceptionnellement forte des phonons résonnants, ce qui réduit considérablement sa conductivité thermique.

Les cristaux massifs de 3C-SiC à l’échelle d’une plaquette produits par Air Water Inc. ont été développés par dépôt chimique en phase vapeur à basse température et avaient une qualité et une pureté cristallines élevées. L’équipe a observé une conductivité thermique élevée à partir des cristaux 3C-SiC de haute pureté et de haute qualité cristalline. Zhe dit que « la conductivité thermique mesurée des cristaux massifs de 3C-SiC dans ce travail est d’environ 50% supérieure à celle du 6H-SiC structurellement plus complexe, conformément aux prédictions selon lesquelles la complexité structurelle et la conductivité thermique sont inversement liées. De plus, le 3C-SiC les couches minces développées sur des substrats de Si ont des conductivités thermiques dans le plan et dans le plan croisé record, même supérieures à celles des couches minces de diamant d’épaisseurs équivalentes. »

La conductivité thermique élevée mesurée dans ce travail classe le 3C-SiC au deuxième rang après le diamant monocristallin parmi les cristaux à l’échelle du pouce, qui a le κ le plus élevé parmi tous les matériaux naturels. Cependant, pour les matériaux de gestion thermique, le diamant est limité par son coût élevé, sa petite taille de tranche et sa difficulté d’intégration avec d’autres semi-conducteurs. Le 3C-SiC est moins cher que le diamant, peut facilement être intégré à d’autres matériaux et peut être développé en grandes tailles de plaquettes, ce qui en fait un matériau de gestion thermique approprié ou un excellent matériau électronique avec une conductivité thermique élevée pour une fabrication évolutive. Cahill déclare : « La combinaison unique de propriétés thermiques, électriques et structurelles du 3C-SiC peut révolutionner la prochaine génération d’électronique en l’utilisant comme composants actifs (matériaux électroniques) ou comme matériaux de gestion thermique », car le 3C-SiC possède la plus haute résistance thermique. conductivité entre tous les polytypes de SiC et aide à faciliter le refroidissement de l’appareil et à réduire la consommation d’énergie. La conductivité thermique élevée du 3C-SiC a le potentiel d’avoir un impact sur des applications telles que l’électronique de puissance, l’électronique radiofréquence et l’optoélectronique.

Les autres auteurs de l’article incluent : Jianbo Liang (professeur associé, Département de physique et d’électronique, Université métropolitaine d’Osaka), Keisuke Kawamura (Division SIC, Air Water Inc.), Hao Zhou (Département de génie mécanique, Université de l’Utah), Hidetoshi Asamura (Département des matériaux spécialisés, Unité d’électronique, Air Water Inc.), Hiroki Uratani (Division SIC, Air Water Inc.), Janak Tiwari (Département de génie mécanique, Université de l’Utah), Samuel Graham (George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology), Yutaka Ohno (Institute for Materials Research, Tohoku University), Yasuyoshi Nagai (Institute for Materials Research, Tohoku University), Tianli Feng Department of Mechanical Engineering, University of Utah) et Naoteru Shigekawa (Professeur, Département de physique et d’électronique, Université métropolitaine d’Osaka).

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