四川
掺杂广泛用于半导体领域调控半导体电学特性。随着电子器件尺寸微缩，功率密度增大，散热问题成为制约先进制程芯片技术的关键瓶颈，特别是先进三维堆叠芯片与高功率/高频宽禁带半导体芯片。相比于研究掺杂对半导体电性影响，研究掺杂对半导体导热性能的影响较少。针对上述挑战，北京大学程哲课题组联合国内外合作者，通过先进的单晶生长工艺、高分辨率结构表征技术、高精度热测量方法，研究了高质量硼掺3C-SiC单晶体的热导率，并深入分析了共振声子散射的传热机制。结果表明，硼掺杂浓度为4×1019cm-3时，3C-SiC样品热导率出现了约50%的下降，降幅为常见半导体中掺杂导致热导率下降的最高水平。导热能力下降的核心机制为，硼原子取代碳原子后，破坏原有四面体对称结构，引发共振声子散射。本研究为Robert O Pohl教授（程哲研究员的导师的导师）提出共振声子散射理论六十多年以来首次在半导体中严格实验观测到。3C-SiC为可以生长大晶圆材料中导热系数第二高的材料（仅次于金刚石），而可与硅外延集成，有望应用于3D-IC的转接板以及氮化镓射频/功率器件的衬底。该工作会对3D-IC以及射频/功率器件的热管理产生重要影响。该工作以“Experimental observation of extremely strong defect–phonon scatterings in cubic SiC single crystals”为题发表在Applied Physics Reviews，博士生黄子丰为第一作者，程哲研究员为通讯作者。国际合作者包括日本大阪市立大学Jianbo Liang副教授和Naoteru Shigekawa教授。全文链接：https://doi.org/10.1063/5.0304005
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程哲，北京大学集成电路学院研究员、博导、博雅青年学者、未名青年学者、国家高层次青年人才。主要研究方向为微纳电子器件的热管理、热测量、先进封装、异质集成、热测试设备等。博士毕业于美国佐治亚理工学院Sam Graham课题组，日本名古屋大学特别研究学生，师从诺奖得主天野浩（Hiroshi Amano）院士，后在美国伊利诺伊大学-香槟分校（UIUC）进行博士后训练，合作导师为David Cahill院士，在界面热导、半导体异质集成、高导热系数半导体材料等方向取得系列突破。在Nature Communications, IEEE IEDM, Applied Physics Reviews等国际知名期刊和顶级会议上发表论文70余篇，受邀撰写书章节3章，被引4000余次。多次受邀担任行业主要国际会议分会主席/共同主席/组织者和做特邀报告，获国际先进材料协会先进材料科学家奖章、国家优秀自费留学生奖学金。主持国家自然科学基金面上项目、原创探索项目、HY项目；主持国家重点研发计划课题、发改委F项目课题、若干头部企业横向项目等，近两年获批研发经费超两千万元；另外，实验室建设有国内最大最全、技术世界并跑的芯片热测量平台（设备固定资产数千万），通过自己搭建和改装，基本上集齐了所有主流的芯片热物性和微纳器件测温设备。依托本学院两个全国重点实验室及国内头部集成电路企业工艺线，立志于解决下一代三维堆叠器件/堆叠芯片以及功率/射频芯片中日益严重的散热瓶颈和设备禁运问题。另外，程哲老师获2025年“北京大学优秀班主任”，所带信息科学技术学院本科生实验班“信班”，获得“北京大学先进班集体”和“北京大学示范性班集体”。
图1. 实验测量的随掺杂浓度变化的导热系数；常见半导体材料掺杂中，硼掺杂3C-SiC的热导率下降幅度最大。
图2. 不同掺杂浓度下导热系数随温度的变化。
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