High thermal conductivity in wafer-scale cubic silicon carbide crystals

热导率 材料科学 钻石 碳化硅 半导体 薄脆饼 宽禁带半导体 光电子学 凝聚态物理 纳米技术 复合材料 物理
作者
Zhe Cheng,Jianbo Liang,Keisuke Kawamura,Hao Zhou,Hidetoshi Asamura,Hiroki Uratani,Janak Tiwari,Samuel Graham,Yutaka Ohno,Yasuyoshi Nagai,Tianli Feng,Naoteru Shigekawa,David G. Cahill
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:106
标识
DOI:10.1038/s41467-022-34943-w
摘要

High thermal conductivity electronic materials are critical components for high-performance electronic and photonic devices as either active functional materials or thermal management materials. We report an isotropic high thermal conductivity over 500 W m-1K-1 at room temperature in high-quality wafer-scale cubic silicon carbide (3C-SiC) crystals, which is the second highest among large crystals (only surpassed by diamond). Furthermore, the corresponding 3C-SiC thin films are found to have record-high in-plane and cross-plane thermal conductivity, even higher than diamond thin films with equivalent thicknesses. Our results resolve a long-lasting puzzle that the literature values of thermal conductivity for 3C-SiC are perplexingly lower than the structurally more complex 6H-SiC. Further analysis reveals that the observed high thermal conductivity in this work arises from the high purity and high crystal quality of 3C-SiC crystals which excludes the exceptionally strong defect-phonon scatterings in 3C-SiC. Moreover, by integrating 3C-SiC with other semiconductors by epitaxial growth, we show that the measured 3C-SiC-Si TBC is among the highest for semiconductor interfaces. These findings not only provide insights for fundamental phonon transport mechanisms, also suggest that 3C-SiC may constitute an excellent wide-bandgap semiconductor for applications of power electronics as either active components or substrates.
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