【摘要】：釬鋅礦氮化鋁(A1N)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)及其合金被廣泛應(yīng)用在光電器件、太陽能電池和高頻晶體管等設(shè)備中。在這些器件應(yīng)用中,溫度是影響性能、可靠性以及壽命的重要因素。材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定了它的導(dǎo)熱能力,因此研究材料的導(dǎo)熱系數(shù)是器件熱管理的重要內(nèi)容。盡管導(dǎo)熱系數(shù)可以通過實驗測量得到,然而由于實驗樣品生長質(zhì)量的限制,對纖鋅礦AIN、GaN、InN及其合金本征導(dǎo)熱系數(shù)的認知仍然不足,特別是纖鋅礦InN。在微觀上,晶體熱傳導(dǎo)的載流子為聲子,運動過程由聲子玻爾茲曼方程描述。聲子在輸運過程中會受到散射,根據(jù)散射來源的不同主要分為晶格自身的本征散射和樣品相關(guān)的散射。本征散射決定了晶格的本征導(dǎo)熱系數(shù),一直是研究的難點。最近,本征散射可以通過第一性原理計算準(zhǔn)確得到。論文結(jié)合第一性原理計算和聲子玻爾茲曼方程的求解,研究纖鋅礦AlN、GaN、InN及其合金的導(dǎo)熱系數(shù)以及尺寸效應(yīng)。計算結(jié)果表明,室溫時在纖鋅礦晶格水平方向和垂直方向上,自然同位素下A1N的導(dǎo)熱系數(shù)分別為301 Wm-1K-1和287Wm-1K-1,GaN的導(dǎo)熱系數(shù)分別為244 Wm-1K-1和277Wm-1K-1,InN的導(dǎo)熱系數(shù)分別為133Wmi1K-1和152Wm-1K-1。不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的計算顯示,纖鋅礦AlN導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性很小,可視為各向同性材料,而纖鋅礦GaN和InN導(dǎo)熱系數(shù)具有不可忽略的各向異性,特別是在低溫條件下。導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性與不同方向上聲子速度的平方相關(guān),通過計算平方速度對頻率的分布發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性主要由低頻聲子貢獻,并且主要來自高頻橫波聲學(xué)支。導(dǎo)熱系數(shù)對平均自由程的累積函數(shù)以及薄膜導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度的變化都表明纖鋅礦AlN、GaN和InN的尺寸效應(yīng)可以持續(xù)到幾十微米�；诘谝恍栽碛嬎愕玫嚼w鋅礦AlN、GaN和InN的相關(guān)參數(shù)以及虛擬晶格模型,研究了纖鋅礦AlxGa1-xN、InxGa1-xN和InXAl1-xN導(dǎo)熱系數(shù)隨合金濃度的變化。發(fā)現(xiàn)即使很小濃度的合金就可以極大的減小導(dǎo)熱系數(shù)。比如,在纖鋅礦GaN中僅僅摻入1%的A1或者In原子后,導(dǎo)熱系數(shù)減小60%。當(dāng)合金濃度達到較高的0.2～0.8時,導(dǎo)熱系數(shù)隨合金濃度變化很小。室溫下,沿著釬鋅礦晶體水平方向和垂直方向,AlxGa1-xN的最小導(dǎo)熱系數(shù)分別為18 Wm-1K-1和22Wm-1K-1,InxGa1-xN的最小導(dǎo)熱系數(shù)分別為22 Wm-1K-1和27Wm-1K-1,InxAl1-xN的最小導(dǎo)熱系數(shù)分別為8Wm-1K-1和10Wm-1K-1。各向異性大于各自的組分材料,這是由于合金對低頻聲子的抑制比高頻聲子小,使各向異性較大的低頻聲子的相對貢獻增加所造成的。合金的尺寸效應(yīng)同樣可以持續(xù)到幾十微米,并且當(dāng)尺寸減小到100nm時,導(dǎo)熱系數(shù)將減小一半。在聲子玻爾茲曼方程的求解中,馳豫時間近似會低估導(dǎo)熱系數(shù),Callaway模型作為一種修正被廣泛使用。但是,Callaway模型的準(zhǔn)確性一直未被檢驗。以硅、金剛石和纖鋅礦AlN為研究對象,完全基于第一性原理的計算結(jié)果檢驗了Callaway模型的準(zhǔn)確性。計算結(jié)果表明,Callaway模型并不能保證對導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測。同時,通過對低頻聲子馳豫時間的計算發(fā)現(xiàn),在這三種晶格中橫波和縱波聲學(xué)聲子U散射的馳豫時間與頻率的關(guān)系為1/ω3,而N散射過程則分別符合1/ω和1/ω2的關(guān)系。
[Abstract]:Wurtzite aluminum nitride (A1N), aluminum nitride (GaN), and aluminum nitride (InN) and its alloys are widely used in devices such as photovoltaic devices, solar cells and high-frequency transistors. In these device applications, temperature is an important factor affecting performance, reliability, and life. The thermal conductivity of the material determines its thermal conductivity, so the thermal conductivity of the material is an important part of the thermal management of the device. Although the thermal conductivity can be obtained by experimental measurement, the thermal conductivity of wurtzite AIN, GaN, InN and its alloys is still insufficient due to the limitation of the growth quality of the experimental samples, especially wurtzite InN. In the micro, the carrier of the crystal heat conduction is the sound, and the motion process is described by the acoustic subBoltzmann equation. The sound is scattered in the process of transport. According to the scattering sources, the scattering of the samples and the scattering of the samples are mainly divided into the lattice's own intrinsic scattering and the sample-related scattering. This sign-scattering determines the intrinsic thermal conductivity of the lattice and has been the difficult point of the study. Recently, this sign-scattering can be calculated accurately by the first principle. The thermal conductivity and dimensional effect of wurtzite AlN, GaN, InN and its alloys are studied in combination with the first principle calculation and the solution of the acoustic subBoltzmann equation. The results show that in the horizontal and vertical directions of wurtzite crystal lattice at room temperature, the thermal conductivity of A1N in natural isotopes is 301 Wm-1K-1 and 287Wm-1K-1, respectively. The thermal conductivity of GaN is 244 Wm-1K-1 and 277Wm-1K-1 respectively. The thermal conductivity of InN is 133Wmi1K-1 and 152Wm-1K-1, respectively. The calculation of the thermal conductivity at different temperatures shows that the anisotropy of the wurtzite AlN thermal conductivity is very small and can be regarded as an isotropic material, while the wurtzite GaN and the InN thermal conductivity have non-negligible anisotropy, especially at low temperature conditions. The anisotropy of the thermal conductivity coefficient is related to the square of the sound sub-velocity in different directions, and the anisotropy of the thermal conductivity coefficient is found to be mainly contributed by the low-frequency sound and mainly from the high-frequency transverse wave acoustic branch by calculating the distribution of the square velocity to the frequency. The cumulative function of the coefficient of thermal conductivity on the mean free path and the change of the thermal conductivity of the film with the thickness indicate that the size effect of wurtzite AlN, GaN and InN can last to several tens of microns. Based on the first principle, the related parameters and the virtual lattice model of wurtzite AlN, GaN and InN are calculated, and the changes of the thermal conductivity of wurtzite AlxGa1-xN, InxGa1-xN and InXAl1-xN with the alloy concentration are studied. it has been found that even a very small concentration of the alloy can greatly reduce the thermal conductivity. For example, after only 1% of Al or In atoms are doped in wurtzite GaN, the thermal conductivity is reduced by 60%. When the concentration of the alloy reaches a value of 0.2 to 0.8, the thermal conductivity is very small with the change of the alloy concentration. At room temperature, the minimum thermal conductivity of AlxGa1-xN is 18 Wm-1K-1 and 22Wm-1K-1, respectively, and the minimum thermal conductivity of InxGa1-xN is 22Wm-1K-1 and 27Wm-1K-1, respectively. The minimum thermal conductivity of InxGa1-xN is 8Wm-1K-1 and 10Wm-1K-1, respectively. the anisotropy is greater than the respective component material, which is due to the fact that the suppression of the low-frequency sound sub-band by the alloy is smaller than the high-frequency sound, resulting in an increase in the relative contribution of the anisotropic larger low-frequency sound. the size effect of the alloy can likewise continue to several tens of microns and the thermal conductivity will be reduced by half when the size is reduced to 100 nm. In the solution of the acoustic-son Boltzmann equation, the relaxation time approximation will underestimate the thermal conductivity, and the Callaway model is widely used as a modification. However, the accuracy of the Callaway model has not been tested. Based on the results of the first principle, the accuracy of the Callaway model is verified by using silicon, diamond and wurtzite AlN as the research object. The results show that the Callaway model can not guarantee the accurate prediction of the thermal conductivity. At the same time, through the calculation of the low-frequency sound sub-relaxation time, the relationship between the relaxation time and the frequency of the S-wave and the longitudinal-wave acoustic subU-scattering in the three lattices is 1/ 1/ 3, and the N-scattering process is in accordance with the relationship of 1/ 1 and 1/ 2.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O469

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本文編號：2401352