【摘 要】
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随着微电子技术的发展,器件集成度不断提高,微电子器件的热管理问题正在推动热输运的研究向微纳尺度发展。硅/锗（Si/Ge）材料体系在半导体芯片、微波器件和传感器等应用领域发挥着关键的作用,而优异的热传导性能对于实现高性能的器件至关重要。无论是在材料制备还是器件制造的过程中,界面和缺陷都无可避免,在微纳尺度范围内界面和缺陷对于热传导性质的影响不容小觑。虽然关于Si/Ge纳米结构热输运的研究已经有很多,
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随着微电子技术的发展,器件集成度不断提高,微电子器件的热管理问题正在推动热输运的研究向微纳尺度发展。硅/锗（Si/Ge）材料体系在半导体芯片、微波器件和传感器等应用领域发挥着关键的作用,而优异的热传导性能对于实现高性能的器件至关重要。无论是在材料制备还是器件制造的过程中,界面和缺陷都无可避免,在微纳尺度范围内界面和缺陷对于热传导性质的影响不容小觑。虽然关于Si/Ge纳米结构热输运的研究已经有很多,但是大多数为理论预测,所关注的尺度范围比较小,或者在微米尺度,或者在纳米尺度,缺少从微米尺度到纳米尺度范围内系统的热输运及其调控的研究,特别是涉及到百纳米级跨界面的热传导研究非常少。基于较高的理论和应用价值,本论文选择Si/Ge半导体材料为研究对象,设计了不同的Si/Ge纳米结构并运用分子束外延（MBE）技术生长了一系列的样品。利用时域热反射法（TDTR）系统的测量了材料的面外热导率和界面热导,对Si/Ge异质结构的热传导性质进行了深入的研究,获得了以下结果:1.系统的研究了硅基上异质外延锗薄膜的热传导性质:运用MBE的低温生长方式,通过调控退火温度获得了一系列的500 nm厚的Ge薄膜;TDTR测量结果显示Ge薄膜的热导率与薄膜质量相关;运用Debye-Callaway模型对实验结果进行拟合,证实了Ge薄膜中存在位错散射和合金散射两种机制的竞争,分析了两种不同散射机制的影响,进而讨论了两种声子散射机制的作用范围。由分析结果确定了Ge薄膜的最优退火温度（700℃附近）。通过调控薄膜厚度,在超薄（≤12nm）的Ge薄膜中观测到弹道输运现象。2.在对Ge薄膜精准调控的基础上,通过人工微结构调控,设计并运用分子束外延技术在硅衬底上生长了一系列的不同形貌的Ge纳米点,研究了Ge纳米点对Al/Si界面热输运性质的作用和调控机制。首先研究了界面处理和铝膜蒸镀工艺对于界面热输运的影响,发现表面清洁能够将界面热导提高两倍以上;采用MBE在Si上原位外延铝膜,可以获得原子级平整光滑的界面,获得了700 MW·m-2·K-1的超高界面热导,远高于理论Al/Si界面热导的计算结果(460 MW·m-2·K-1)和目前已报道的实验测量结果(100 MW·m-2·K-1)。通过MBE调控获得尺寸和形貌不同的Ge纳米点。有趣的是,界面热导的结果显示在30%的表面覆盖率范围内,界面热导对纳米点的尺寸不敏感。此结果为今后的界面调控研究提供了更多的实验支撑和研究思路,在不影响散热的前提下,在锗硅半导体器件结构中可适当的引入一些纳米结构以满足更多的性能,为器件集成和片上工艺提供了更多的灵活性。以上研究成果,不仅丰富和完善了微纳尺度热传导性质的调控研究,为解决纳米电子学、纳米复合材料、能量传输等方面的关键问题提供了更多的指导,有利于推动微电子器件应用和性能改进的发展。
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