光で窒化シリコン薄膜の熱伝導率を倍増 ~半導体デバイスの高性能化につながる新たな放熱機構~

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2020-10-01 東京大学

ポイント

  • 高集積化の進んだ半導体デバイスでは、熱を運ぶフォノンが散乱されて放熱が困難になるため、高性能化に向けて新しい放熱機構や材料が求められている。
  • 光とフォノンの混合状態である表面フォノンポラリトンを用い、窒化シリコン薄膜の熱伝導率を倍増することに成功した。
  • 新しい放熱機構として、半導体デバイスの高性能化への貢献が期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、東京大学 生産技術研究所のユンフイ・ウー 特任研究員と野村 政宏 准教授らは、光とフォノンの混合状態である表面フォノンポラリトンを用いて窒化シリコン薄膜の熱伝導率を倍増することに成功しました。

固体中の熱伝導は、熱の運び手であるフォノンの移動で説明され、薄膜においては表面における散乱によって移動が妨げられるため熱伝導率が大きく低下し、温度が高くなるとますます低下していきます。高集積化と微細化が進んだ半導体デバイスでは、小さい領域に大きなエネルギーが注入されるため、局所的な発熱によってデバイス性能が制限されることが多く、放熱を促進するさまざまな工夫がなされています。

本研究では、表面フォノンポラリトンに注目し、熱伝導率の低い薄膜構造において、伝搬速度が桁違いに速い光の力を借りることで熱伝導率を増強し、伝導、対流、放射に次ぐ第4の放熱機構としての可能性を探求しました。

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