Теплопроводность нитрида галлия с кристаллической структурой типа вюрцита
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2022-67-3-285-297
Аннотация
Выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований одного из важнейших параметров нитрида галлия с кристаллической структурой типа вюрцита – теплопроводности. Так как перенос тепла в нитриде галлия осуществляется главным образом с помощью фононов, его теплопроводность имеет температурную зависимость, характерную для большинства неметаллических кристаллов: увеличивается пропорционально третьей степени температуры в области низких температур, достигает своего максимального значения при температуре, приблизительно равной 1/20 от дебаевской, и уменьшается пропорционально температуре в области высоких температур. Показано, что в зависимости от условий (технология изготовления образца, кристаллографическое направление, концентрация примеси и других дефектов, изотопный состав) теплопроводность нитрида галлия может находиться в большом диапазоне значений, что указывает на важность определения этого параметра именно тех образцов материала, которые используются в конкретных приложениях. Теплопроводность нелегированного изотопно-чистого нитрида галлия при комнатной температуре оценивается на уровне 5,4 Вт/(см·К). Максимальная теплопроводность, достигнутая для объемного образца из монокристаллического нитрида галлия, равна 2,79 Вт/(см·К).
Об авторах
В. С. Волчёк
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
Волчёк Владислав Сергеевич, научный сотрудник
ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск
М. С. Баранова
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
Баранова Мария Сергеевна, научный сотрудник
ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск
В. Р. Стемпицкий
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
Стемпицкий Виктор Романович, кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе, начальник научно-исследовательской части
ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск
Список литературы
1. Quay R. Gallium Nitride Electronics. Berlin; Heidelberg, Springer, 2008. 470 p.
2. Roccaforte F., Leszczynski M. (eds.). Nitride Semiconductor Technology: Power Electronics and Optoelectronic Devices. Weinheim, Wiley-VCH, 2020. 464 p. https://doi.org/10.1002/9783527825264
3. Bernardini F., Fiorentini V., Vanderbilt D. Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides. Physical Review B, 1997, vol. 56, no. 16, pp. 24–27. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.R10024
4. Yan Z., Liu G., Khan J. M., Balandin A.A. Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors. Nature Communications, 2012, vol. 3, 827. https://doi.org/10.1038/ncomms1828
5. Volcheck V. S., Lovshenko I. Yu., Shandarovich V. T., Dao D. H. Gallium nitride high electron mobility transistor with an effective graphene-based heat removal system. Doklady BGUIR, 2020, vol. 18, no. 3, pp. 72–80 (in Russian). https://doi. org/10.35596/1729-7648-2020-18-3-72-80
6. Wachutka G.K. Rigorous thermodynamic treatment of heat generation and conduction in semiconductor device modeling. IEEE Transactions on Computer-Aided Design, 1990, vol. 9, no. 11, pp. 1141–1149. https://doi.org/10.1109/43.62751
7. Asif Khan M., Yang J.W., Knap W., Frayssinet E., Hu X., Simin G., Prystawko P., Leszczynski M., Grzegory I., Porowski S., Gaska R., Shur M.S., Beaumont B., Teisseire M., Neu G. GaN-AlGaN heterostructure field-effect transistors over bulk GaN substrates. Applied Physics Letters, 2000, vol. 76, no. 25, pp. 3807–3809. https://doi.org/10.1063/1.126788
8. Irekti M.-R., Lesecq M., Defrance N., Okada E., Frayssinet E., Cordier Y., Tartarin J.-G., De-Jaeger J.-C. 2 W/mm power density of an AlGaN/GaN HEMT grown on free-standing GaN substrate at 40 GHz. Semiconductor Science and Technology, 2019, vol. 34, no. 12, 12LT01. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab4e74
9. Dong Y., Xie Z., Chen D., Lu H., Zhang R., Zheng Y. Effects of dissipative substrate on the performance of enhancement mode AlInN/GaN HEMTs. International Journal of Numerical Modeling: Electronic Networks, Devices and Fields, 2019, vol. 32, no. 1, e2482. https://doi.org/10.1002/jnm.2482
10. Zou J., Kotchetkov D., Balandin A. A., Florescu D. I., Pollak F.H. Thermal conductivity of GaN films: Effects of impurities and dislocations. Journal of Applied Physics, 2002, vol. 92, no. 5, pp. 2534–2539. https://doi.org/10.1063/1.1497704
11. Bi W., Kuo H.-C., Ku P.-C., Chen B. (eds.). Handbook of GaN Semiconductor Materials and Devices. New York, CRC Press, 2018. 708 p. https://doi.org/10.1201/9781315152011
12. Vandersande J. W., Wood C. The thermal conductivity of insulators and semiconductors. Contemporary Physics, 1986, vol. 27, no. 2, pp. 117–144. https://doi.org/10.1080/00107518608211003
13. Slack G.A. Nonmetallic crystals with high thermal conductivity. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1973, vol. 34, no. 2, pp. 321–335. https://doi.org/10.1016/0022-3697(73)90092-9
14. Morelli D. T., Heremans J. P., Slack G.A. Estimation of the isotope effect on the lattice thermal conductivity of group IV and group III-V semiconductors. Physical Review B, 2002, vol. 66, no. 19, 195304. https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.66.195304
15. Florescu D. I., Asnin V. M., Pollak F. H., Molnar R. J., Wood C.E. C. High spatial resolution thermal conductivity and Raman spectroscopy investigation of hydride vapor phase epitaxy grown n-GaN/sapphire (0001): Doping dependence. Journal of Applied Physics, 2000, vol. 88, no. 6, pp. 3295–3300. https://doi.org/10.1063/1.1289072
16. Witek A. Some aspects of thermal conductivity of isotopically pure diamond – A comparison with nitrides. Diamond and Related Materials, 1998, vol. 7, no. 7, pp. 962–964. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(97)00336-1
17. Dugdale J. S., MacDonald D.K. C. Lattice thermal conductivity. Physical Review, 1955, vol. 98, no. 6, pp. 1751–1752. https://doi.org/10.1103/PhysRev.98.1751
18. Callaway J. Model for lattice thermal conductivity at low temperatures. Physical Review, 1959, vol. 113, no. 4, pp. 1046–1051. https://doi.org/10.1103/PhysRev.113.1046
19. Ma J., Li W., Luo X. Examining the Callaway model for lattice thermal conductivity. Physical Review B, 2014, vol. 90, no. 3, 035203. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.035203
20. Kotchetkov D., Zou J., Balandin A. A., Florescu D. I., Pollak F.H. Effect of dislocations on thermal conductivity of GaN layers. Applied Physics Letters, 2001, vol. 79, no. 26, pp. 4316–4318. https://doi.org/10.1063/1.1427153
21. Liu W., Balandin A.A. Thermal conduction in AlxG1-xN alloys and thin films. Journal of Applied Physics, 2005, vol. 97, no. 7, 073710. https://doi.org/10.1063/1.1868876
22. Lindsay L., Broido D.A., Reinecke T.L. Thermal conductivity and large isotope effect in GaN from first principles. Physical Review Letters, 2012, vol. 109, no. 9, 095901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.095901
23. Broido D. A., Malorny M., Birner G., Mingo N., Stewart D.A. Intrinsic lattice thermal conductivity of semiconductors from first principles. Applied Physics Letters, 2007, vol. 91, no. 23, 231922. https://doi.org/10.1063/1.2822891
24. Slack G. A., Schowalter L. J., Morelli D., Freitas Jr. J.A. Some effects of oxygen impurities on AlN and GaN. Journal of Crystal Growth, 2002, vol. 246, no. 3–4, pp. 287–298. https://doi.org/10.1016/S0022-0248 %2802 %2901753-0
25. Jezowski A., Danilchenko B. A., Bockowski M., Grzegory I., Krukowski S., Suski T., Paszkiewicz T. Thermal conductivity of GaN crystals in 4.2–300 K range. Solid State Communications, 2003, vol. 128, no. 2–3, pp. 69–73. https://doi. org/10.1016/S0038-1098(03)00629-X
26. Ju W, Zhou Z., Wei Z. Anisotropic thermal transport property of defect-free GaN. AIP Advances, 2016, vol. 6, no. 6, 065328. https://doi.org/10.1063/1.4955185
27. Wu R., Hu R., Luo X. First-principles-based full-dispersion Monte Carlo simulation of the anisotropic phonon transport in the wurtzite GaN thin film. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 119, no. 14, 145706. https://doi.org/10.1063/1.4945776
28. Qin Z., Qin G., Zuo X., Xiong Z., Hu M. Orbitally driven low thermal conductivity of monolayer gallium nitride (GaN) with planar honeycomb structure: A comparative study. Nanoscale, 2017, vol. 9, pp. 4295–4309. https://doi.org/10.1039/ C7NR01271C
29. Jiang Y., Cai S., Tao Y., Wei Z., Bi K., Chen Y. Phonon transport properties of bulk and monolayer GaN from first-principles calculations. Computational Materials Science, 2017, vol. 138, pp. 419–425. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.07.012
30. Li W., Carrete J., Katcho N.A., Mingo N. ShengBTE: A solver of the Boltzmann transport equation for phonons. Computer Physics Communications, 2014, vol. 185, no. 6, pp. 1747–1758. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.02.015
31. Garg J., Luo T., Chen G. Spectral concentration of thermal conductivity in GaN – A first-principles study. Applied Physics Letters, 2018, vol. 112, no. 25, 252101. https://doi.org/10.1063/1.5026903
32. Behler J., Parrinello M. Generalized neural-network representation of high-dimensional potential-energy surfaces. Physical Review Letters, 2007, vol. 98, no. 14, 146401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.146401
33. Minamitani E., Ogura M., Watanabe S. Simulating lattice thermal conductivity in semiconducting materials using high-dimensional neural network potential. Applied Physics Express, 2019, vol. 12, no. 9, 095001. https://doi.org/10.7567/1882- 0786/ab36bc
34. Simon R. B., Anaya J., Kuball M. Thermal conductivity of bulk GaN – Effects of oxygen, magnesium doping, and strain field compensation. Applied Physics Letters, 2014, vol. 105, no. 20, 202105. https://doi.org/10.1063/1.4901967
35. Sichel E. K., Pankove J.I. Thermal conductivity of GaN, 25–360 K. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1977, vol. 38, no. 3, p. 330. https://doi.org/10.1016/0022-3697(77)90112-3
36. Maruska H. P., Tietjen J.J. The preparation and properties of vapor-deposited single-crystal-line GaN. Applied Physics Letters, 1969, vol. 15, no. 10, pp. 327–329. https://doi.org/10.1063/1.1652845
37. Asnin V. M., Pollak F. H., Ramer J., Schurman M., Ferguson I. High spatial resolution thermal conductivity of lateral epitaxial overgrown GaN/sapphire (0001) using a scanning thermal microscope. Applied Physics Letters, 1999, vol. 75, no. 9, pp. 1240–1242. https://doi.org/10.1063/1.124654
38. Luo C.-Y., Marchand H., Clarke D.R., DenBaars S.P. Thermal conductivity of lateral epitaxial overgrown GaN films. Applied Physics Letters, 1999, vol. 75, no. 26, pp. 4151–4153. https://doi.org/10.1063/1.125566
39. Florescu D. I., Asnin V. M., Pollak F. H., Jones A. M., Ramer J. C., Schurman M. J., Ferguson I. Thermal conductivity of fully and partially coalesced lateral epitaxial overgrown GaN/sapphire (0001) by scanning thermal microscopy. Applied Physics Letters, 2000, vol. 77, no. 10, pp. 1461–1466. https://doi.org/10.1063/1.1308057
40. Shibata H., Waseda Y., Ohta H., Kiyomi K., Shimoyama K., Fujito K., Nagaoka H., Kagamitani Y., Simura R., Fukuda T. High thermal conductivity of gallium nitride (GaN) crystals grown by HVPE process. Materials Transactions, 2007, vol. 48, no. 10, pp. 2782–2786. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRP2007109
41. Jagannadham K., Berkman E.A., Elmasry N. Thermal conductivity of semi-insulating, p-type, and n-type GaN films on sapphire. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2008, vol. 26, no. 3, pp. 375–379. https://doi.org/10.1116/1.2899379
42. Richter E., Grunder M., Schineller B., Brunner F., Zeimer U., Netzel C., Weyers M., Trankle G. GaN boules grown by high rate HVPE. Physica Status Solidi C, 2011, vol. 8, no. 5, pp. 1450–1454. https://doi.org/10.1002/pssc.201000901
Рецензия
Просмотров: 455
Послать статью по эл. почте 
