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说说金刚石热沉片的热特性和电特性

时间:2023-01-04浏览次数:913

金刚石是目前自然界具有最高热导率的衬底材料(Si、SiC和金刚石的导热率分别为150,390和1200~2000W·m-1·K-1),有望在一个“高热”器件中实现近乎完美的热耗散,因此得到广泛关注和研究。作为热沉材料,金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内,使晶体管设备在工作时能够有效散热。金刚石热沉片常常还被关注其电特性。下面来解析一下金刚石的热学性质和电特性。


热学性质

纯净无杂质金刚石的热导率极高。它是目前已知室温热导率最高的固体材料,热导率约为金属铜的5倍。金属热传导是由电子输运实现的,金刚石传热机制与金属传热机制不同,它通过晶格振动传热,用声子流表征,等于晶格振动频率乘以普朗克常量。碳原子很小,原子质量也很小,金刚石结构中的碳原子彼此各向同性地紧密结合在一起,其结果就是碳原子产生振动的量子能量较大,也就是振动频率很高,最大值为40×1012Hz,因此,热导率非常高。


晶体材料中的热膨胀是指增加温度时原子获得能量,引起晶格振动的振幅增加而导致原子间距增加的现象。由于金刚石是共价键结合的晶体材料,它有比较小的热膨胀系数,室温热膨胀系数(CTE)为0.8×10-6/℃,铜的热膨胀系数为17×10-6/℃,而石墨在面内的(ab轴向)热膨胀系数略为负值。与石墨的热膨胀系数各向异性不同,金刚石的热膨胀系数是各向同性的,且随温度增加而逐渐增加。金刚石的比热和石墨相当,但比许多金属的比热高,和所有其他元素一样,金刚石的比热随温度增加而增加    。


金刚石的热学特性

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电特性


由于共价键的强度高,难以把电子从价带激发到导带,纯净无晶格缺陷的金刚石是最好的绝缘固体材料体之一。纯净无晶格缺陷的金刚石的电阻率大于10e18Ω·cm。




杂质的存在可以极大地改变其中的电子态,若夹杂sp2价键(石墨),将大大地降低其电阻率,使得材料不再能用于制造电子器件。和其他硅、锗半导体相比,金刚石的介电常数很小,只有5.7,但与有机聚合物和玻璃相比,介电常数却不算低。




金刚石具有优良的半导体特性,是极具应用前景的宽带半导体材料之一,它具有间接带隙,禁带宽度为5.47eV。在加热时,由于热激发,半导体中的电子从价带跃迁到导带的概率增加,半导体的导电性也增加。带隙越宽,电子跃迁概率越小,这就是为什么宽禁带半导体在高温下获得应用的原因,在高于某个特定的极限温度,材料将不具有半导体的特性,金刚石半导体的上限温度等于或高于500℃,而硅和砷化镓半导体的上限温度分别为150℃和250℃。




通过适量掺杂可以把金刚石由室温下的本征半导体转变成非本征半导体,例如掺硼(B),可以获得p型金刚石半导体,掺磷(P)可以获得n型半导体,掺杂可以在高压或CVD生长金刚石中实现,天然IIb型金刚石是掺杂半导体,但是自然界中很稀少,金刚石也有很高的电子迁移率和高的饱和电子迁移率,例如,已在金刚石衬底上利用等离子体CVD制备出的金刚石热沉片薄膜的室温电子和空穴迁移率分别达到4500cm2/(V·s)和3800cm2/(V·s)。



金刚石的电学性质


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