ホスホン酸系自己組織化単分子膜と自己組織化ナノ誘電体のクロスプレーン熱伝導率

Cross-Plane Thermal Conductance of Phosphonic Acid-based Self Assembled Monolayers and Self Assembled Nanodielectrics.

• Baojie Lu
• Binghao Wang
• Yao Chen
• Antonio Facchetti
• Tobin J Marks
• Oluwaseyi Balogun

抄録

自己組織化ナノ誘電体（SAND）は、偏光ホスホネート酸で機能化したアザスチバゾリウム電子（PAE）と高誘電率金属酸化物（ZrO2またはHfOx）膜を交互に積層して構成されている。SANDは、低温での作製が可能であること、大きな誘電体強度、大容量などの優れた特性を有することから、薄膜トランジスタ応用のための望ましいゲート絶縁膜材料である。本論文では、周波数領域熱反射率(FDTR)法を用いて、SANDの面横断熱境界コンダクタンスを調べた。まず、金薄膜と二酸化ケイ素薄膜に挟まれたPAE自己組織化単分子膜(SAM)、反転PAE(IPAE)SAM、およびPAE-IPAE混合SAMの熱伝導率を調べた。次に、PAE-ZrO2層の数(n)を変え、厚さを4.5〜11nmの範囲で変化させたSAND-nの熱伝導率を定量化する。FDTR測定から、SAMの熱境界コンダクタンスは、PAEとIPAE発色団の相対密度に基づいて、42.1±4.6MW/m2Kから52.4±2.5MW/m2Kの間で調整できることを観測した。SAND-n試料では、nの増加に伴って熱伝導率が単調に減少することが観測された。測定された熱伝導率データを直列抵抗モデルに用いて、PAE発色団と二酸化ジルコニウム膜との接触における熱界面コンダクタンスを695MW/m2Kと推定した。これは、金やSiO2膜へのSAMの接着が弱い場合と比較して、PAE発色団と二酸化ジルコニウム膜との接着が強いためであると考えられる。

Self-assembled nanodielectrics (SANDs) consist of alternating layers of polarized phosphonate acid-functionalized azastibazolium electron (PAE) and high k-dielectric metal oxide (ZrO2 or HfOx) films. SANDs are desirable gate dielectrics materials for thin-film transistor applications due to their excellent properties such as low-temperature fabrication, large dielectric strength, and large capacitance. In this paper, we investigate the cross-plane thermal boundary conductance of SANDs using the frequency domain thermoreflectance (FDTR) technique. First, we characterize the thermal conductance of PAE self-assembled monolayers (SAMs), inverted-PAE (IPAE) SAMs, and mixed PAE-IPAE SAMs, sandwiched between thin gold and silicon dioxide (SiO2) films at the top and bottom surfaces. Next, we quantify the thermal conductance of SAND-n with different numbers (n) of PAE-ZrO2 layers and thicknesses ranging between 4.5 and 11 nm. From the FDTR measurements, we observe that the thermal boundary conductance of the SAMs can be tuned between 42.1 ± 4.6 MW/m2K and 52.4 ± 2.5 MW/m2K, based on the relative density of the PAE and IPAE chromophores. In the SAND-n samples, we observe a monotonic decrease in the thermal conductance with increasing n. We use the measured thermal conductance data in a series resistance model to estimate a thermal interface conductance of 695 MW/m2K for the contact between the PAE chromophore and the zirconium dioxide films, which is an order of magnitude larger than the SAMs. We attribute the improved thermal conductance to stronger adhesion between the PAE chromophore and the zirconium dioxide films, as compared to the weakly bonded SAMs to the gold and SiO2 films.