探索硅掺杂对块体 GaN 热导率的影响

[导读]宽带隙半导体材料氮化镓 (GaN) 具有出色的电气和光学特性，可用于各种电子和光电设备。然而，与其他半导体相比，其固有热导率明显较低。硅掺杂可以显著影响块状氮化镓 (GaN) 的热导率。

宽带隙半导体材料氮化镓 (GaN) 具有出色的电气和光学特性，可用于各种电子和光电设备。然而，与其他半导体相比，其固有热导率明显较低。硅掺杂可以显著影响块状氮化镓 (GaN) 的热导率。

研究目的

在之前的研究中，研究人员观察到，使用 3ω 技术确定的室温及以上温度下块状 GaN 的热导率与 Si 掺杂水平呈负相关。此外，研究人员还观察到，随着 Si 掺杂的增加，热导率的温度依赖性斜率逐渐下降。观察到，在超过 350 K 的温度下，最高掺杂样品的热导率超过了较低掺杂样品的热导率。

在接下来的工作1中，我们开发了一种适用于高温下 n 型 GaN 的改进型 Callaway 模型来解释这种行为。

导热性的作用

近年来，III 族氮化物(包括高电子迁移率晶体管 (HEMT)、肖特基势垒二极管(SBD)、发光二极管 (LED) 和激光二极管 (LD))已显示出其作为电力电子系统和固态照明技术基本元件的潜力。器件有源部分散热的有效性对于这些器件的性能和可靠性至关重要，尤其是在高温和高输出功率下运行时。

III 族氮化物材料的热导率是之前研究中深入研究的主题。然而，这些研究中公布的实验数据表现出显著的差异。这种差异可以归因于所分析样品的质量差异以及所采用的测量技术遇到的具体困难。

不同的器件应用需要不同的 GaN 衬底，包括未掺杂、n 型掺杂或半绝缘衬底。因此，为了有效地管理热条件，必须准确了解掺杂对 GaN 热导率的影响。全面研究 Si 掺杂在 GaN 中的作用至关重要，因为 Si 是实现 n 型导电性的主要掺杂剂。

测量过程

所研究的样品是通过沿蓝宝石衬底上的 [0001] GaN 晶体方向切割使用高压光电化学 (HVPE) 技术生产的块状 GaN 获得的。GaN 层通常厚度约为 1 毫米。用于热导率研究的样品的横向直径范围为 5×5 平方毫米至10×10 平方毫米。将硅烷 (SiH4) 与氮 (N2) 载流一起注入反应器以完成硅掺杂。

热导率是使用 3ω 方法测定的，该方法涉及按照标准化设计将包含四个接触垫的细金属线光刻沉积到样品表面。金属线既充当加热装置，又充当传感机制。样品安装在温控板上，在 295-470 K 的温度范围内进行测量。为了确保温度测量的准确性，在靠近样品的板上部固定了一个额外的热电偶。

3ω 技术涉及沿导线施加角频率为 ω 的交流电，然后测量 3ω 处的电压降与 ω 的关系。导线经受焦耳加热，产生功率振荡频率为 2ω 的热通量。然后，该热通量消散到下方的样品中。金属导线的电阻受样品发出的热波影响，这归因于电阻率的非零温度系数。因此，导线两端的电压降表现出第三谐波分量的存在。分量 V3ω 的振幅表达式如下：

其中 αT 是电阻率的温度系数，ΔT 是温度振荡，V 1ω是基频 ω 处的电压降幅度。功率归一化温度变化可近似为：

在此上下文中，P 表示施加在导线上的功率，l 表示导线的长度，k 表示热导率，C 表示不受频率和导线长度影响的常数。热导率可以通过分析 V3ω 与 ln(ω) 依赖关系的斜率来确定，因为 ΔT/P 与 V3ω 成正比。应该注意的是，如图 1 所示，在整个频率范围 (50-4000 Hz) 下在不同温度下观察到的依赖关系的线性可作为实验中满足边界条件的实验证据。

图 1：测量了电压降 V3ω(用符号表示)与频率的关系，并在四种不同温度下对未掺杂 GaN 的半对数图(用实线表示)中获得了线性拟合

实验结果

通过硅掺杂将杂质原子引入GaN晶格，导致其晶格结构发生变化。这些杂质的存在扰乱了原子的正常排布，导致声子的色散关系发生改变，引起声子的散射。杂质的存在导致声子的散射，导致声子的平均自由程减小，从而降低热导率。

所有 GaN 样品的测量均在相同条件下进行。未掺杂样品在环境温度(T = 295 K)下的热导率为 k = 245±5 W/m·K。该值与独立 HVPE 中生长的 GaN 的统计数据一致。随着 Si 浓度的增加，热导率稳步下降。掺杂程度最高的样品的热导率为 k = 210±6 W/m·K。

观察到的行为可以视为合理的，并且可以通过增加声子点缺陷散射的参与来轻松解释。如图 2 所示，所有样品的热导率在高温 (T > 295 K) 下随着温度升高而下降。然而，在不同 Si 浓度下，下降率(即 k 的温度依赖性斜率)存在差异。

图 2：未掺杂和掺杂 Si 的 HVPE 生长 GaN 的热导率。实线表示实验数据的最佳拟合(来源：1)

使用改进的 Callaway 模型模拟了热导率的温度依赖性。不过，这里不使用多个散射率系数，而是只使用纵向和横向声子的可变因子，即 Grüneisen 参数。

图 3 说明了不同温度下热导率与 Si 掺杂之间的关系。将 FE(声子自由电子)散射纳入模型对于全面阐明 300-350K 温度范围内的实验数据至关重要。然而，超过 350 K 的温度后，FE 散射的影响似乎会减弱，这可以从两条模拟曲线的接近性中看出。

图 3：不同温度下 GaN 块体的热导率与 Si 浓度之间的关系。显示的数据包括实验结果(用符号表示)以及使用实线和无实线(用点划线表示)得出的理论依赖关系，其中包含 FE 散射(来源：1)

在高温下，预计热导率将不受硅浓度(最高 [Si] ~ 1·10 18 cm -3 )的影响。然而，在室温下，热导率仅依赖于硅浓度(最高 [Si] ~ 5·10 16 cm -3 )。如图 3 所示，观察到的室温热导率模式与先前记录的位于蓝宝石上的薄 Si 掺杂 GaN 层数据一致。尽管如此，本研究中的观察值显示出显着的增加，主要归因于与薄异质外延 GaN 层相比，块状 GaN 的结构缺陷密度更高。

通过使用简单的幂律模型来分析随温度变化的热导率，可以进一步理解在高于室温的温度下发生的初级散射现象。以下数学表达式可以表示该模型：

室温下的热导率用k0表示，等于To=295K。这种经验拟合的利用在热管理和设备设计领域具有潜在价值，因为它能够预测不同温度和掺杂水平下的热导率特性。

图 4 显示了所有测量样本的此类匹配实例。图 5 显示了斜率(表示为 α)与 Si 浓度之间的关系。实验结果表明，随着掺杂水平的增加，斜率逐渐下降，从未掺杂样本的 α = 1.3 开始，达到最大掺杂样本的 α = 0.55。未掺杂样本的观测斜率与之前记录的高级 HVPE 生产的 GaN 值一致，具体为 1.439 和 1.22。