多尺度研究铜/金刚石界面电子及热传输特性
Abstract
宽带隙半导体金刚石不仅具有突出的电学性质, 而且还具有非常高的热导率, 使其既可以耐高压又可以快速散热, 因此, 金刚石基大功率器件受到越来越广泛的关注. 本文研究的过渡金属Cu不仅具有较高的功函数, 而且在半导体工艺中被广泛使用, 并且Cu与金刚石都具有优异的散热性能. 因此, Cu接触金刚石已经超出寻常电极的意义, 这种金属-半导体结构既可以实现界面电子特性的裁剪, 也可以实现热学设计与管理的功能. 在本文中, 第一性原理方法被用来研究Cu/金刚石界面的电子特性. 结果表明, Cu/金刚石界面的肖特基势垒高度为<sc>1.60 eV,</sc> 原子层分辨的电子态密度与Bader电荷转移分析揭示了在靠近界面一两个原子层内的电子发生了重新排布, 说明界面诱导电荷的重构主要是来自金属诱导带隙态. 此外, 根据密度泛函微扰理论、结合准简谐近似与声子玻尔兹曼输运方程, 对金属Cu、金刚石以及Cu/金刚石材料体系的热学特性开展研究. 结果表明, 室温下金刚石与Cu的热导率分别为2501.3和410.4 W m<sup>−1</sup> K<sup>−1</sup>, 并且在散射失配模型下得到Cu/金刚石界面热导为<sc>27.87 MW m</sc><sup>−2</sup> K<sup>−1</sup>, 略低于最近报道的实验值, 可能是由于界面附件的电子与声子耦合未加以考虑. 另外, 根据Hasselman-Johnson模型, 得到了室温下Cu/金刚石材料体系的有效热导率、材料体系的尺寸以及金刚石体积占比三者之间的依赖关系. 这些理论预测值与实验数据基本一致, 说明过渡金属Cu作为表面覆盖层在金刚石基大功率电子器件方面具有重要的应用.
