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氮化镓基异质纳米薄膜声子和热学特性的多物理场耦合效应研究

氮化镓基异质纳米薄膜声子和热学特性的多物理场耦合效应研究

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作者：唐晓雅浙江大学

学位级别：硕士

作为典型的第三代半导体材料,氮化镓(GaN)具有优异的物理、化学特性,使其在制造高功率高频率电子器件、短波长光电子器件、高温器件和辐照器件中备受青睐。这些半导体材料及其器件在具体应用中将会处于多物理环境场,如电磁场、温度场、... 详细信息

作为典型的第三代半导体材料,氮化镓(GaN)具有优异的物理、化学特性,使其在制造高功率高频率电子器件、短波长光电子器件、高温器件和辐照器件中备受青睐。这些半导体材料及其器件在具体应用中将会处于多物理环境场,如电磁场、温度场、应力场或辐照场等,这些物理场将会对GaN基异质结构的材料性能以及器件内部温度场、电场/电流、应力场等物理场产生影响。目前,关于GaN基异质纳米薄膜在不同物理场作用下材料力学、热学性能的理论研究相对较少,本文以AIN/GaN/AIN多层异质纳米薄膜为对象,基于连续弹性模型和玻尔兹曼输运方程,定量研究了预应力和表面/界面应力对GaN基纳米薄膜声学声子及热导率的影响,并采用有限元方法进一步探讨了热导率的应力耦合行为对薄膜热传导的影响。首先,在连续介质力学框架内,利用声弹理论计算了不同预应力和层厚对GaN基异质纳米薄膜声子色散关系和群速度等的影响,研究结果表明正应力使声子能量减小而压应力增大了声子能量,且GaN层越薄,预应力的影响越显著;与此同时,采用Boltzmann输运方程给出了涉及预应力和温度的声子横向热导率的理论描述,数值计算结果表明SH和AS模态下正的预应力减小薄膜热导率,SA模态下正好相反。其次,研究表面/界面应力对GaN基异质纳米薄膜声子特性和热学性能的影响。基于连续介质力学方法,考虑表面应力对弹性模量的影响,采用弹性模型定量分析了表面/界面应力作用下的纳米薄膜量子限域声子特性,并进一步分析表面/界面应力与GaN基异质结构声子热导率的定量关系。计算结果表明:正(负)的表面/界面应力增大(减小)声子能量。在SH模态中,随着表面/界面应力由负到正,纳米薄膜的声子热导率随之增大,而在AS和SA模态中则相反。最后,基于上述研究结果,考虑GaN基异质纳米薄膜的多场耦合效应,探究了预应力加载下热导率应力耦合效应对结构热传导行为的影响。采用有限元方法求解了脉冲热源下半导体薄膜温度场和应力场的分布情况,发现压应力通过增大薄膜热导率使得薄膜的温度峰值降低,但使其温度响应速度加快,随着热源脉冲次数的增加,应力耦合效应的影响愈加显著。本文以AIN/GaN/AIN多层异质纳米薄膜为对象,定量分析了预应力、表面/界面应力对GaN基异质纳米薄膜声学声子及热学性能的影响,我们的研究结果表明:可以通过调节预应力和表面应力的大小和方向、温度及结构尺寸共同调控纳米薄膜的声子特性,进而调节其热导率。在此基础上探讨了热导率的应力耦合效应对半导体纳米薄膜热传导行为的影响,为半导体器件在多物理场作用下的安全性和稳定性提供了参考性结果,也为器件的精确设计和有效应用提供了理论依据。

关键词：氮化镓基异质纳米薄膜连续弹性模型预应力表面/界面应力声子特性声子热导率热导率应力耦合效应

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