隨著半導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展，散熱成為制約半導體器件穩定性、可靠性、壽命等的技術瓶頸之一。特別對于納米尺度半導體器件，增加界面導熱是提升散熱性能中關鍵一環。因此，研究界面熱輸運對于半導體器件的散熱具有重要的應用價值和科學意義。一般來說，對于半導體器件中的界面（半導體-半導體或金屬-半導體），傳統的擴散失配模型（DMM）認為界面處聲子輸運是彈性過程，即聲子穿過界面能量不發生變化。由于聲子在德拜溫度下被全部激發，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，其界面熱導呈現飽和趨勢。然而相對于理論模型，提高界面熱導的條件在實驗上仍然存在不足。針對上述問題，清華大學深圳國際研究生院孫波團隊與上海交通大學顧驍坤團隊、北京大學王新強團隊合作，試圖探索提高界面熱導的條件。團隊利用分子束外延（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互擴散層的兩個Al/Si界面。采用時域熱反射法（TDTR）精確測量了不同溫度下的界面熱導。發現粗糙界面的熱導在高溫下趨于飽和，符合傳統的擴散失配模型；而平整界面的熱導在高溫下隨溫度升高，與傳統理論背離，并且在平整Al/GaN界面上也觀察到了類似的現象。理論計算表明，平整界面的熱導隨溫度升高而升高是由于聲子在界面處發生了非彈性輸運過程。在平整界面處，聲子的透射能力表現出更強的頻率相關性，使得聲子非平衡在該界面更顯著，促進了聲子間的非彈性轉化，從而使得界面熱導在高溫下展現出更強的溫度相關性。該研究發現了在原子級平整的Al/Si、Al/GaN界面處的聲子非彈性輸運過程，而該過程被視為界面處額外的聲子輸運通道，可提高界面熱導，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理的爭論，并對半導體器件中的熱管理具有指導意義。
圖1.（a）平整的Al/Si界面；（b）帶有1 nm互擴散層的Al/Si界面
圖2.（a）Al/Si的界面熱導。Sample1為平整界面的界面熱導，可見其在高溫下（高于Al的德拜溫度428K）隨溫度升高而升高，背離傳統的擴散失配模型；Sample2具有互擴散層，其界面熱導在高溫下飽和。（b）Al/GaN的界面熱導，高溫下類似Al/Sample1，偏離擴散失配模型本論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院2020級博士生李沁書，北京大學博雅博士后劉放、上海交通大學2019級博士生胡松、清華大學深圳國際研究生院2015級博士生宋厚甫為共同第一作者。清華大學深圳國際研究生院孫波副教授、上海交通大學顧驍坤副教授和北京大學王新強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深圳國際研究生院康飛宇教授、伯克利加州大學吳軍橋教授等。該研究工作得到了國家自然科學基金委項目、深圳市優秀青年基金、北京市卓越青年科學家等項目的支持。參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98875.htm
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