半导体量子结构的制备、热输运及热管理调控的研究

Recently, the study of microscale and nanoscale thermal transport has become a frontier in science due to the fast development of nano-technology and information technology. Some key factors involve the micro-scale scattering mechanism and transport process of the phonons. This project, based on the fundamental concepts of band engineering and artificial microstructures and nanostructures, is to explore the scattering mechanism in semiconductor quantum structures and the phonon manipulation by artificial structures and interfaces. It involves high quality epitaxial growth techniques and nanoscale thermal property characterizations such as TDTR. The goal is to design and fabricate novel high efficiency thermal functional materials and structures that can be employed for thermal management in high power electronic and optoelectronic devices based on semiconductor materials. Our study will help to further understand the mechanism of thermal transport in both microscale and nanoscale. In addition, the study can serve as the basis to design and fabricate high efficient thermoelectric materials based on semiconductor quantum structures, which might be a new path to solve the issues, such as thermal dissipation and thermal management, in high power semiconductor devices and very large-scale integration (VLSI) and enhance the stability and efficiency of these devices. Furthermore, the proposed study will enrich the theory of thermal transport in microscale and nanoscale, promote the development and applications in many fields, including energy, information, electronics and environmental industries, etc.

近年来，纳米技术和信息技术的发展使得微纳尺度下热输运的研究正成为科学前沿。热声子微观散射和输运过程是影响材料热性能的关键因素。本项目基于能带工程和人工微结构的设计思想，结合高质量的可控外延生长技术以及TDTR等先进的纳米热学测量技术，探索半导体量子结构中的热声子的微观散射机制，研究人工微结构和界面修饰材料对热声子输运的调控，设计出可适用于半导体集成器件热管理的新型高效热功能材料。这将不仅为深入地理解微纳尺度热输运机制奠定了基础，还可以进一步制备出基于半导体量子结构的高效纳米热电功能材料，为解决高功率半导体发光器件和大规模集成电路中的热耗散和热管理问题提供新思路，提高该类器件的工作稳定性和效率。本课题的研究将进一步推动纳米热输运理论的完善，推动该领域在能源、信息、电子、环境等应用产业上的发展。

随着电子工业与能源科学的飞速发展，热调控成为微纳电子、热逻辑器件和热电技术等多个领域关注的关键课题。本项目基于能带工程和人工微结构的设计思想，利用高质量的可控外延生长技术以及时域热反射等先进的微纳热学测量技术，研究人工微结构和界面修饰材料对热声子输运的调控，重点探索半导体量子结构中热声子的微观输运机制。并设计出可适用于半导体集成器件热管理的新型高效热功能材料，为集成电路、传感器等微纳器件的热管理优化提供微结构层面的理论支撑和可靠测试手段。研究内容主要包括以下几个方面：. 1.以半导体材料为主的外延量子结构的热输运研究。本项目发展出低温分子束外延技术，生长并研究了Si1-xGex合金和SiGe/Si异质界面、Al/Si界面处成键方式、Al/ErAs/GaAs人工微结构界面以及REAlO3/SrTiO3和GaAs/AlGaAs界面二维电子气体等对界面上声子输运的影响，并揭示了声子在上述不同界面上的输运机制。此外，通过引入应变场调控BiFeO3自支撑铁电薄膜与金属界面上的电子-声子耦合作用，实现了高达26倍的界面热阻调控。. 2.纳米超晶格结构的热声子传输和散射机制研究。利用分子束外延技术成功生长出半导体InAs/AlAs、GaAs/AlAs以及氧化物SrO(SrTiO3)n超晶格结构。重点研究了超晶格结构中的声子相干输运，借助第一性原理计算解释了相干声子对热输运调制作用的物理机制。并对超晶格界面及界面上量子点对热导率的影响进行了探索。. 3.基于人工微结构设计调控热声子输运的研究。本项目重点关注了硫族化合物中的人工微结构对热声子输运性质的调控，结合错配结构、构造异质界面及原子级插层等策略探索了对热声子输运的有效调控，成功得到室温下~0.2W/mK的超低热导率。. 4.应用于微纳电子技术的检测平台及相关材料、器件的研究。本项目自主研制了原位多场耦合的微纳尺度热输运测试系统，搭建了基于数字图像相关技术的光学测试系统。并围绕半导体量子结构和超分子聚合物中的热声子散射机制，设计了多种具备优异性能的热管理器件。对热声子调控、热管理和热功能材料的发展有重要指导意义。