破解 3C-SiC！ 散热困局 北大程哲团队打通从基础研究到产业应用全链条

随着集成电路持续向 3D-IC 架构深度演进，芯片内部功耗密度呈指数级攀升，散热问题已成为制约芯片性能进一步提升的核心瓶颈。在各类宽禁带半导体材料中，立方碳化硅（3C-SiC）因具备仅次于金刚石的超高理论热导率及优异的电子输运特性，被视作下一代热管理与功率器件的关键候选材料。

但长期以来，3C-SiC 始终面临理论性能与实际应用严重脱节的困境：其实际热导率远低于理论极限，且与主流工艺的集成难度极大，严重限制了产业化落地。

近期，北京大学程哲研究员团队在《Applied Physics Reviews》发表题为 “Experimental observation of extremely strong defect–phonon scatterings in cubic SiC single crystals” 的研究成果，揭示了 3C-SiC 中的缺陷 - 声子强散射机制，为其导热机理研究带来重要突破。

近年来，该团队围绕 3C-SiC 开展了系统性研究：从 2022 年在《Nature Communications》报道晶圆级热导特性，到 2024 年在《Advanced Electronic Materials》提出键合集成方案，再到 2025 年于《Journal of Applied Physics》发表高浓度氮掺杂相关工作，成果已覆盖材料制备、异质集成与微观物理机理等关键环节，逐步打通 3C-SiC 从基础研究走向产业应用的完整技术链条。

01 突破制备瓶颈：实现晶圆级高导热 3C-SiC

在该项研究中，程哲团队与合作者通过制备高质量晶圆级 3C‑SiC 单晶，实验测得其室温各向同性热导率超过 500 W・m⁻1・K⁻1，使 3C‑SiC 成为体块晶体中导热性能仅次于金刚石的第二高导热材料。研究同时表明，3C‑SiC 薄膜在面内与面外方向均展现出优异导热能力，在等效厚度条件下导热性能甚至优于金刚石薄膜。

依托高纯度、高晶体质量的样品，该研究证实：以往文献报道的 3C‑SiC 热导率偏低，主要源于强烈的缺陷‑声子散射效应。通过有效消除这类不利因素，研究团队成功还原出 3C‑SiC 本征的超高导热特性。

02 攻克集成难题：300% 提升的界面传热

在 3C-SiC 与金刚石衬底的半导体异质集成应用中，长期存在两大核心技术瓶颈：一是界面热阻（TBC）过高，散热效率受限；二是界面稳定性不足，芯片在制备与服役过程中的高温环境易引发封装界面失效。

研究团队采用表面活化键合（SAB）技术，在常温条件下实现了 3C-SiC 薄膜与金刚石衬底的高质量异质集成。实验结果显示，经后续热处理后，界面热导（TBC）提升幅度高达约 300%；在 1100 °C 高温退火处理下，界面热导可达150 MW m⁻2K⁻1，该性能在同类键合结构中处于领先水平，同时验证了集成界面在极端高温环境下的优异可靠性。

借助超声检测与电子显微表征等精密分析手段，团队揭示了性能大幅提升的内在机理：界面处的非晶硅相在高温下与金刚石发生界面反应，重构为致密的 SiC 晶体结构。该成果不仅提出了一种高效高热导的散热界面构筑方案，更证实 3C-SiC 可耐受 1100 °C 的高温工艺，为其与标准半导体制造流程兼容提供了关键支撑。

03 解析“导电与导热”的权衡——高浓度氮掺杂的影响

在半导体材料体系中，掺杂是调控材料导电特性的核心手段。对于 3C‑SiC 而言，氮（N）是应用最为广泛的 n 型施主杂质。然而，在功率器件研发与产业化过程中始终存在一个关键矛盾：为满足高压、大功率应用需求，必须实现高浓度氮掺杂，但过量掺杂会引入高密度点缺陷，显著增强声子散射，导致材料热导率显著劣化。

本团队针对不同氮掺杂浓度的 3C‑SiC 单晶开展了系统的热输运特性研究，定量揭示了热导率随掺杂浓度升高而衰减的演化规律。实验结果表明，即便在重掺杂条件下，3C‑SiC 仍具备优于传统硅衬底的散热能力。研究基于 Callaway 模型并结合声子‑点缺陷散射理论，对实验数据实现了精准拟合，证实氮掺杂在 3C‑SiC 晶格中引发的质量失配效应与局域应变场是抑制热传导的主导机制。通过对比本征与重掺杂 3C‑SiC 的声子平均自由程分布，进一步明确了掺杂对不同频率声子输运的影响规律。

该工作不仅补充了重要的基础实验数据，更为功率器件散热设计提供了关键依据，明确了在兼顾器件电学性能时可接受的热导率折损范围，为 3C‑SiC 基功率器件的结构优化与性能协同设计奠定了理论基础。

04 深入物理本质，发现超强“共振声子散射”效应

在半导体热传导理论中，杂质原子通常被认为只引起简单的“瑞利散射（Rayleigh scattering）”，其强度主要取决于杂质与母体原子的质量差异。然而，程哲老师团队在研究中发现，某些特定的掺杂（如硼 B）对导热的破坏力远超传统模型的预测，这背后的深层机制一直未被完全揭示 。

通过高质量 3C-SiC 单晶的生长与硼（B）掺杂的精确控制，团队在实验中观察到了极其强烈的缺陷-声子散射现象 。 这种散射强度比经典“质量差异模型”预测的高出数十倍。 在 10^19cm-3的掺杂水平下，3C-SiC 的热导率直接下降了 50%，这是目前已知普通半导体中报告的最高降幅 。结合第一性原理计算（DFT），研究证实了低频声子共振散射（Low-frequency phonon resonant scattering）起到了主导作用 。当 B 原子取代 C 原子时，引起了局域势场和原子间作用力的剧烈扰动，精准拦截了携带热量的声子 。团队利用具有毫电子伏特分辨率的原子级 STEM-EELS 技术，排除了应变梯度对热传导的干扰，确保了结论的严谨性 。

这项研究不仅揭示了掺杂诱导点缺陷对热导率影响的底层逻辑，为未来 3D-IC 和大功率器件在复杂电学环境下的热模拟与设计提供了最核心的物理参数。

05 结语

从 2022 年实现晶圆级高导热制备，到 2024 年解决异质集成界面难题，再到 2025-2026 年深入探讨氮、硼掺杂下的微观散热机制，程哲老师团队的工作形成了一个完整的科学闭环。这一系列研究不仅刷新了我们对 3C-SiC 物理特性的认知，更通过解决材料生长、界面键合和性能预测等核心痛点，为 3C-SiC 在 3D-IC 和高功率功率半导体领域的产业化应用铺平了道路。

程哲老师，北京大学集成电路学院，担任研究员、博导、助理教授、未名青年学者、博雅青年学者，国家级青年人才，兼职北大纳光电子中心。主要研究方向为微纳电子器件的热管理、热测量、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 (现为马里兰大学工学院院长)，日本名古屋大学特别研究学生，师从天野浩院士（诺贝尔物理奖得主），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(美国人文与科学院院士)。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60余篇，受邀撰写书章节3章。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、HY项目、原创探索计划项目；主持国家重点研发计划课题、发改委F项目课题、企业横向项目等；另外，实验室建有国内最大最全、技术世界前列的芯片热测量平台，基本上集齐了所有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，获2025年北京大学优秀班主任，所带信息科学学院实验班“信班”，获得北京大学先进班集体和北京大学示范性班集体。

来源：未来产链

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