Temperature-Dependent Thermal Conductivity of Single-Crystal Silicon Layers in SOI Substrates

Abstract

Self heating diminishes the reliability of silicon-on-insulator (SOI) transistors, particularly those that must withstand electrostatic discharge (ESD) pulses. This problem is alleviated by lateral thermal conduction in the silicon device layer, whose thermal conductivity is not known. The present work develops a technique for measuring this property and provides data for layers in wafers fabricated using bond-and-etch-back (BESOI) technology. The room-temperature thermal conductivity data decrease with decreasing layer thickness, ds, to a value nearly 40 percent less than that of bulk silicon for ds = 0.42 μm. The agreement of the data with the predictions of phonon transport analysis between 20 and 300 K strongly indicates that phonon scattering on layer boundaries is responsible for a large part of the reduction. The reduction is also due in part to concentrations of imperfections larger than those in bulk samples. The data show that the buried oxide in BESOI wafers has a thermal conductivity that is nearly equal to that of bulk fused quartz. The present work will lead to more accurate thermal simulations of SOI transistors and cantilever MEMS structures.

Characteristic length of phonon transport within periodic nanoporous thin films and two-dimensional materials

“…In real thin films, it should be noted that certain film-boundary roughness can introduce partially diffusive phonon scattering and thus lower k L at reduced film thickness. [40][41][42][43] When the film thickness is comparable or even smaller than the size of the porous structure, more accurate modeling may further consider the film-boundary scattering of phonons. 13 Assuming smooth film boundaries and rough pore edges, an effective K Pore is extracted by directly comparing the k L predicted by phonon MC simulations and the kinetic relationship.…”

Анизотропия длин свободного пробега фононов в монокристаллических пленках Ge, Si, алмаза при низких температурах

“…Следует отметить, что в значительном числе пуб-ликаций (см., например, [14][15][16][17][18][19]) граничное рассеяние фононов в достаточно тонких пленках учитывалось ана-логично тому, как это было сделано в работах Фукса [20] и Зондгеймера [21] при анализе проводимости тонких металлических пленок. В этих работах граничное рас-сеяние фононов рассматривалось в модели изотропной среды и предполагалось, что длины свободного пробега и времена релаксации фононов в пленках зависят только от ее толщины [14][15][16][17][18][19].…”

“…В этих работах граничное рас-сеяние фононов рассматривалось в модели изотропной среды и предполагалось, что длины свободного пробега и времена релаксации фононов в пленках зависят только от ее толщины [14][15][16][17][18][19]. Учет граничного рассеяния в рамках теории [20,21] приводит к некорректным резуль-татам для анизотропии теплопроводности и ее зави-симостей от геометрических параметров и ориентаций плоскостей пленок [14][15][16][17][18][19]. Согласно [6,22,23] теплопро-водность пленок и длин пробега фононов существенно зависит от геометрических размеров.…”

Thermal rectification based on phonon hydrodynamics and thermomass theory

“…It was addressed that in a certain range of temperature, the collective behaviour of phonons may be characterized as in the fluid mechanics. In recent years, the significant reduction of thermal conductivity of nanosystems was exhibited in experiments [20][21][22][23][24]. With the phonon hydrodynamic models, the boundary drag is larger for smaller systems.…”