レーザで描くフォノニックナノ構造による半導体サーマルマネジメント~ナノ構造を高速・低環境負荷で作製、実用化の加速に期待~

2025-12-04 東京科学大学

東京科学大学と東京大学の研究チームは、半導体の熱輸送を制御するフォノニックナノ構造を、従来より1,000倍以上高速に作製できる手法を開発した。フェムト秒レーザ誘起周期表面構造(fs-LIPSS)をシリコン薄膜に直接描画し、簡素な装置で高スループット加工を実現。得られたナノ溝構造は、熱伝導率を従来薄膜比で約25%低減し、平均自由行程の長いフォノンの輸送を効果的に抑制することが、サーモリフレクタンス法とモンテカルロシミュレーションにより示された。これにより、電子機器や量子デバイスで重要となるサーマルマネジメント技術の実用化が大きく前進し、高性能・省エネルギーなデバイス設計への応用が期待される。

レーザで描くフォノニックナノ構造による半導体サーマルマネジメント~ナノ構造を高速・低環境負荷で作製、実用化の加速に期待~
図1. レーザ直接描画法とドライエッチングによるナノ周期構造の形成とフォノンの振る舞い

<関連情報>

フェムト秒レーザー直接描画フォノニックナノ構造によるスケーラブルな熱工学 Scalable Thermal Engineering via Femtosecond Laser-Direct-Written Phononic Nanostructures

Hiroki Hamma, Roman Anufriev, Kazuyoshi Fushinobu, Masahiro Nomura, Byunggi Kim
Advanced Functional Materials  Published: 03 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202525269

Abstract

Modern electronics demands innovative thermal management strategy beyond conventional approaches. Here, A transformative platform bridging laboratory-scale phononic nanostructures and industrial-scale thermal engineering is demonstrated via femtosecond laser-induced periodic surface structures (fs-LIPSS). Laser-direct-written phononic metamaterials is achieved with throughputs exceeding 10⁵ m2 s−1—three orders of magnitude faster than electron beam lithography—while maintaining nanoscale resolution. Applied to silicon membranes, the fs-LIPSS reduce thermal conductivity from 101 to 76 W m−1 K−1, surpassing thin-film limit predicted by Fuchs–Sondheimer model. Monte Carlo simulations corroborate these findings, showing that long mean free paths are limited by the fs-LIPSS, while ablation-induced roughness mediates isotropic modulation of thermal conductivity via enhanced diffuse scattering. Thus, this maskless and resist-free process enables the fabrication of phononic nanostructures that are CMOS-compatible and scalable to wafer-level dimensions. This work establishes the fs-LIPSS as a versatile approach that makes phonon engineering practical for real-world devices, unlocking applications in quantum technologies, on-chip energy conversion, and high-performance computing.

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