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Nat Commun：清華孫波團(tuán)隊(duì)合作在金屬半導(dǎo)體界面的導(dǎo)熱機(jī)制上取得新進(jìn)展

來源：清華大學(xué)      2022-10-14
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院孫波團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)顧驍坤團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)王新強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，試圖探索提高界面熱導(dǎo)的條件，在金屬半導(dǎo)體界面的導(dǎo)熱機(jī)制上取得新進(jìn)展。相關(guān)成果近日以“原子級平整界面處聲子非彈性輸運(yùn)”（Inelastic phonon transport across atomically sharp metal/semiconductor interfaces）為題，在線發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
隨著半導(dǎo)體器件性能越來越高，尤其是尺寸微型化及高功率密度的發(fā)展，散熱成為制約半導(dǎo)體器件穩(wěn)定性、可靠性、壽命等的技術(shù)瓶頸之一。特別對于納米尺度半導(dǎo)體器件，增加界面導(dǎo)熱是提升散熱性能中關(guān)鍵一環(huán)。因此，研究界面熱輸運(yùn)對于半導(dǎo)體器件的散熱具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

一般來說，對于半導(dǎo)體器件中的界面（半導(dǎo)體-半導(dǎo)體或金屬-半導(dǎo)體），傳統(tǒng)的擴(kuò)散失配模型（DMM）認(rèn)為界面處聲子輸運(yùn)是彈性過程，即聲子穿過界面能量不發(fā)生變化。由于聲子在德拜溫度下被全部激發(fā)，因此在高溫下（即溫度高于德拜溫度），聲子穿過界面能量不再隨溫度變化，其界面熱導(dǎo)呈現(xiàn)飽和趨勢。然而相對于理論模型，提高界面熱導(dǎo)的條件在實(shí)驗(yàn)上仍然存在不足。
針對上述問題，清華大學(xué)深圳國際研究生院孫波團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)顧驍坤團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)王新強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，試圖探索提高界面熱導(dǎo)的條件。團(tuán)隊(duì)利用分子束外延（MBE）的方法，通過精確控制生長條件制備出原子級平整和含有1nm互擴(kuò)散層的兩個(gè)Al/Si界面。采用時(shí)域熱反射法（TDTR）精確測量了不同溫度下的界面熱導(dǎo)。發(fā)現(xiàn)粗糙界面的熱導(dǎo)在高溫下趨于飽和，符合傳統(tǒng)的擴(kuò)散失配模型；而平整界面的熱導(dǎo)在高溫下隨溫度升高，與傳統(tǒng)理論背離，并且在平整Al/GaN界面上也觀察到了類似的現(xiàn)象。理論計(jì)算表明，平整界面的熱導(dǎo)隨溫度升高而升高是由于聲子在界面處發(fā)生了非彈性輸運(yùn)過程。在平整界面處，聲子的透射能力表現(xiàn)出更強(qiáng)的頻率相關(guān)性，使得聲子非平衡在該界面更顯著，促進(jìn)了聲子間的非彈性轉(zhuǎn)化，從而使得界面熱導(dǎo)在高溫下展現(xiàn)出更強(qiáng)的溫度相關(guān)性。該研究發(fā)現(xiàn)了在原子級平整的Al/Si、Al/GaN界面處的聲子非彈性輸運(yùn)過程，而該過程被視為界面處額外的聲子輸運(yùn)通道，可提高界面熱導(dǎo)，從而提升界面的散熱性能。該研究解決了長久以來對界面聲子非彈性作用機(jī)理的爭論，并對半導(dǎo)體器件中的熱管理具有指導(dǎo)意義。

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圖1.（a）平整的Al/Si界面；（b）帶有1 nm互擴(kuò)散層的Al/Si界面

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圖2.（a）Al/Si的界面熱導(dǎo)。Sample1為平整界面的界面熱導(dǎo)，可見其在高溫下（高于Al的德拜溫度428K）隨溫度升高而升高，背離傳統(tǒng)的擴(kuò)散失配模型；Sample2具有互擴(kuò)散層，其界面熱導(dǎo)在高溫下飽和。（b）Al/GaN的界面熱導(dǎo)，高溫下類似Al/Sample1，偏離擴(kuò)散失配模型
本論文第一作者為清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級博士生李沁書，北京大學(xué)博雅博士后劉放、上海交通大學(xué)2019級博士生胡松、清華大學(xué)深圳國際研究生院2015級博士生宋厚甫為共同第一作者。清華大學(xué)深圳國際研究生院孫波副教授、上海交通大學(xué)顧驍坤副教授和北京大學(xué)王新強(qiáng)教授為該論文共同通訊作者。論文共同作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院康飛宇教授、伯克利加州大學(xué)吳軍橋教授等。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、深圳市優(yōu)秀青年基金、北京市卓越青年科學(xué)家等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32600-w
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98875.htm


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