來源 | ACS Nano

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背景介紹

熱的產生影響了幾乎所有現代電子設備的性能和壽命。在高密度集成電路和電源或射頻(RF)電子器件中尤其如此，在這些器件中，高溫會降低晶體管的性能，增加漏電，最終縮短器件的使用壽命。溫度高于最佳工作范圍僅5°C就會使某些設備的使用壽命減半。

熱管理可以通過主動調節熱流和管理熱瞬變來實現，例如使用新興的熱晶體管和二極管。無源方法包括使用薄膜來阻擋或將熱量從電子設備的熱點處帶走。這樣的散熱器必須具有高導熱性，但它們通常必須是電絕緣體，以防止組件之間的干擾，因此只有少數材料（如氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)和金剛石）才具有這些特性。

AlN由于其大帶隙(約6.1 eV)和優異導熱系數而引起了人們的廣泛關注。事實上，AlN薄膜的熱導率已被證明為數百和幾微米厚，但這種薄膜通常在1200°C以上沉積。而且，集成電子學也將受益于更薄的微尺度AlN薄膜，其導熱性尚未得到優化，其熱極限也知之甚少。

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成果掠影

近期，斯坦福大學Kenneth E. Goodson、Christopher Perez團隊聯合桑迪亞國家實驗室Suhas Kumar針對開發低溫沉積高導熱性的氮化鋁薄膜取得最新進展。氮化鋁(AlN)是少數具有優異導熱性的電絕緣材料之一，但高質量的薄膜通常需要極高的沉積溫度(>1000°C)。對于密集或高功率集成電路中的熱管理應用，重要的是在低溫(<500°C)下沉積散熱片才不會影響底層電子器件。本文展示了通過低溫(<100°C)濺射獲得的100 nm至1.7 μm厚的AlN薄膜，并通過x射線衍射，透射x射線顯微鏡以及拉曼和俄蓋光譜分析了其熱性能與晶粒尺寸和界面質量之間的關系。通過控制反應的沉積條件，該文實現了~ 600 nm薄膜的導熱系數(~ 36?104 W/mK)，其上限代表了室溫下這種薄膜厚度的最高值之一，特別是在低于100°C的沉積溫度下。研究成果以“High Thermal Conductivity of Submicrometer Aluminum Nitride Thin Films SputterDeposited at Low Temperature”為題發表于《ACS Nano》。

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圖文導讀

圖1. 實驗概述。

圖2. 與文獻結果相比，該文AlN薄膜的室溫平面導熱系數作為(a)沉積溫度和(b)厚度的函數。

圖3. ~600 nm AlN薄膜的熱導率、晶粒尺寸和氣體成分之間的相關性。

圖4. 透射電子顯微照片顯示了不同條件下三種c-Al2O3濺射膜的微觀形貌。

圖5. 不同條件下c-Al2O3沉積的三種關鍵膜在襯底界面處的結晶度進行了HRTEM和FFT分析。

圖6. 測定了沉積在Si(111)和c-Al2O3上的AlN薄膜的AlN/基底邊界電導。

圖7. 導熱系數與(a)本研究中樣品的薄膜厚度和(b)沉積或合成溫度的關系。

END

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