绝缘体上硅埋置导热氮化铝薄膜，热导率高达191W/m·K

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绝缘体上硅（SOI）基板由于二氧化硅的低热导率而受到热限制效应和自热效应的影响。多晶氮化铝（AlN）薄膜可有效替代二氧化硅，既能提供高效的散热，又是优异的电绝缘体。

芬兰阿尔托大学研究团队在Si (111)衬底上使用反应磁控溅射（reactive magnetron sputtering）、原子层沉积（ALD）和金属有机物气相外延（MOVPE）生长的AlN薄膜。其中，强取向的MOVPE薄膜热导率Thermal Conductivity(TC)高达191W/m·K，界面热导Thermal Boundary Conductance（TBC）达到147MW/㎡·K。

研究证明了反应溅射和MOVPE生长的AlN薄膜在团队提出的AlN-SOI平台上作为集成的垂直平面散热器的可行性。

图1：氮化铝绝缘体上硅 (AlN-SOI) 平台及其在薄膜沉积、晶圆键合和散热在应用方面的关键挑战。等效热电路表示从示例器件结温 (Tj) 到环境温度 (T0) 的跨平面一维热传导。

图2：采用 a) 双色双调制 TDTR 装置对氮化铝的热特性进行描述 b) AlN 薄膜样品及其 c) 热导率和热边界导率采用理论弥散失配模型(DMM) 和报道的最高 300 nm AlN 薄膜热导率。

图3：AlN 成核层晶粒取向、AlN/Si 界面质量和 TBC 比较。a、d) 来自 3 个独立感兴趣区域的 HR-TEM 和 FFT 入口，b、e) AlN/Si 界面的 HR-TEM，c、f) 分别来自 M0 和 M2 的蒙特卡洛的 TBC 的 TDTR 直方图；g) 表示 MOVPE 薄膜中未优化（MOVPE-0）和优化（MOVPE-1,2）热界面的示意图。

结论

该研究探索了在Si(111)衬底上沉积氮化铝(AlN)薄膜的制备技术选择，旨在为新型SOI平台构建导热绝缘层。实验测得：弱取向多晶ALD薄膜、反应溅射薄膜及强取向MOVPE薄膜的热导率分别为9.7W/m·K、26.5W/m·K和190.6W/m·K。值得注意的是，热导率的提升伴随着界面热导(TBC)的降低，溅射薄膜与MOVPE薄膜的TBC分别从240 MW/㎡·K降至147 MW/㎡·K。

通过修正W-H分析表明，这些热学性能的差异源于横向/垂直晶粒尺寸以及晶体缺陷引起的镶嵌倾斜/扭曲度的变化。实验结果证实：AlN/Si(111)界面的TBC与文献报道值一致，同时凸显了消除非晶氮化硅和晶粒取向偏差的重要性。

尽管AlN/Si(111)和AlN/Si(100)界面可能本质上限制TBC的提升，但热性能基准测试表明：本研究开发的反溅射与MOVPE工艺制备的AlN-SOI材料，其综合性能优于其他SOI替代材料。

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