如何提高薄膜热导率？

在利用差分3ω法测试非晶Si／Si0.75Ge0.25纳米多层薄膜的热导率时，除了需要待测薄膜样品外，还需要另外一块相同的但没有生长Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜的Si基片作为参考样品。由于Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜是半导体，为了防止产生漏电流，在沉积加热金属线之前先采用磁控溅射法沉积200 nm厚的SiO2薄膜，然后利用微加工工艺制备测试结构，其中金属加热线的材质为Ag，线宽为20μm。

图3-5　热导率测试结果

（a）线宽20μm加热金属线的电阻温度曲线；（b）Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜样品和参考样品的温度波动曲线

以周期厚度为50 nm的Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜（样品5）为例，首先利用20μm线宽的金属加热线测试金属线的电阻温度系数，如图3-5（a）所示，线性拟合后可以得到加热金属线的电阻温度系数为0.037 1Ω／℃，由此计算出室温下（20℃）金属线的初始电阻值为17.47Ω。然后测量加热金属线在不同测试频率下的3ω电压，测试过程中电流幅值为60 mA，测试频率范围为100～1 000 Hz。图3-5（b）为测量得到的Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜样品和参考样品的温度波动曲线，可以计算得到Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜的热导率。表3-2列出了Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜热导率测量结果。

表3-2　Si／Si0．75Ge0．25多层薄膜热导率测量结果

根据经典热传导公式，由两种材料交替构成的多层薄膜热导率表达式κeff可以写成

式中，下标1、2代表两种材料；κ为构成多层薄膜材料的热导率；d为构成多层薄膜材料的厚度。值得注意的是，经典的热传导模型忽略了界面热阻。在前期探索实验中测量得到的非晶Si薄膜的热导率为1.44 W·m-1·K-1，与Moon报道［142］的非晶Si热导率测量结果（1.5 W·m-1·K-1）基本相同，但远小于晶体Si的热导率［143］（150 W·m-1·K-1）。而非晶Si0.75Ge0.25薄膜的热导率测量值为0.76 W·m-1·K-1，小于晶体Si0.75Ge0.25薄膜热导率值［144］（6.7 W·m-1·K-1），其原因可能是由于在非晶材料中热量在传播过程中晶格振动会受到局限，导致其热导率减小，表3-3列出了测量得到的非晶Si薄膜和非晶Si0.75Ge0.25薄膜热导率与对应的晶体Si薄膜和晶体Si0.75Ge0.25薄膜热导率的对比。因此根据式（3-2）就可以计算得到制备的非晶Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜热导率理论值应该为1.06 W·m-1·K-1，该数值与实验测量得到的非晶Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜热导率基本相符。(www.xing528.com)

表3-3　非晶Si和非晶Si0．75Ge0．25材料的热导率

图3-6为测量得到的非晶Si／Si0.75Ge0.25纳米多层薄膜热导率与Si／Ge超晶格以及SiGe合金薄膜的热导率比较。实验中每个薄膜样品测量5次，其中误差条代表标准偏差。由图3-6可以发现，非晶Si／Si0.75Ge0.25纳米多层薄膜的热导率明显小于文献报道的Si／Ge超晶格或SiGe合金薄膜的热导率。在Si／Ge超晶格结构中，随着界面数的增加，其热导率会逐渐增加，但是小于SiGe合金薄膜的热导率，而所制备的5个不同周期厚度的非晶Si／Si0.75Ge0.25纳米多层薄膜的热导率基本相同，与界面数之间没有直接联系，同时与利用经典热传导公式得到的理论值一致。

图3-6　非晶Si／Si0．75Ge0．25纳米多层薄膜热导率测试结果比较

与SiGe合金薄膜相比，Si／Ge超晶格会由于错位密度和残余应力的增加而使其热导率随着周期厚度的减小而增大［145］。在BiTe超晶格中，研究显示会存在某一周期厚度使其纵向热导率最小［146］。而在Si／SiGe超晶格和GaAs／AlAs超晶格中，纵向热导率会随着周期厚度的减少而减少。在超晶格或合金材料中，声子平均自由程的束缚原因主要是界面散射或合金散射。而在非晶Si／Si0.75Ge0.25纳米多层薄膜中，声子平均自由程的减小主要是因为结构无序而不是散射机制。根据德拜模型［147］，声子平均自由程Λ可以由热导率κ、比热容C、声子群速度vp计算得到

利用前期测量得到的非晶Si和非晶Si0.75Ge0.25的热导率，计算得到室温下这两者的声子平均自由程分别为0.407 nm和0.238 nm，如表3-4所示，该值小于设计的非晶Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜的层厚度。因此推测可能是由于非晶Si／Si0.75Ge0.25多层薄膜结构无序导致其声子平均自由程小于多层薄膜的层厚度，从而使得测量得到的纵向热导率与理论值相符，没有出现热导率明显减小的结果。

表3-4　非晶Si和非晶Si0．75Ge0．25声子平均自由程