當前，信息技術(shù)的高速發(fā)展對半導(dǎo)體器件的熱管理提出了更高的要求：一方面需要使用更好的散熱材料（如石墨烯、金剛石等），另一方面需要降低接觸界面熱阻。對于小尺寸的高功率器件而言，界面的導(dǎo)熱能力實際上已經(jīng)成為制約器件性能提升的瓶頸，因此，研究其界面導(dǎo)熱機制尤其重要。在半導(dǎo)體器件中，界面熱導(dǎo)主要是由異質(zhì)結(jié)界面附近的幾個原子層產(chǎn)生的界面聲子決定的。但目前人們對于界面聲子如何影響界面熱導(dǎo)知之甚少，主要原因是缺乏有效實驗測量界面熱或聲子的手段。
圖 (a) AlN/Si異質(zhì)結(jié)界面處的原子分辨圖；(b) AlN/Si異質(zhì)結(jié)界面的EELS譜；(c) AlN/Si和AlN/Al異質(zhì)結(jié)四種不同界面模式的聲子態(tài)密度分布及對界面熱導(dǎo)的貢獻
近來，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、電子顯微鏡實驗室高鵬教授課題組，發(fā)展了兼具空間分辨和動量分辨能力的四維電子能量損失譜技術(shù)（Nature Communications 2021, 12, 1179; 發(fā)明專利：ZL202011448013.7），并展示了可應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)界面聲子色散的測量（Nature 2021, 559, 399)。最近，他們和清華大學(xué)、南方科技大學(xué)等合作，利用該譜學(xué)方法測量了第三代半導(dǎo)體氮化鋁（AlN）與硅（Si）襯底、金屬鋁（Al）電極等界面的晶格動力學(xué)行為，并探索了不同界面的聲子傳輸行為及其對界面熱導(dǎo)的貢獻。
聯(lián)合研究團隊發(fā)現(xiàn)AlN/Si和AlN/Al的界面聲子模式迥然不同，從而導(dǎo)致界面熱導(dǎo)數(shù)倍的差異。通常，界面聲子可以分為四類：擴展模式、局域模式、部分擴展模式和孤立模式。其中，擴展模式和局域模式與界面兩側(cè)的體態(tài)聲子都有很強的關(guān)聯(lián)，使得一側(cè)的聲子通過彈性/非彈性散射穿過界面到達另一側(cè)，充當連接兩側(cè)體態(tài)聲子的橋梁，從而有助于提升界面熱導(dǎo)；而部分擴展模式和孤立模式對界面熱導(dǎo)貢獻很小。聯(lián)合研究團隊首先在AlN/Si異質(zhì)結(jié)界面上觀測到了界面模式具有明顯的橋效應(yīng)：界面存在原子尺度局域的聲子模式，與界面兩側(cè)AlN和Si的不同能量的體聲子都能發(fā)生非彈性散射從而交換能量；此外，也觀察到了明顯的界面擴展模式。這兩種模式都能有效促進界面熱量的傳輸。而在AlN/Al界面，并沒有觀察到明顯的由局域模式或擴展模式構(gòu)成的聲子橋，其界面聲子模式主要為部分擴展模式，對熱量的傳輸效率較低。這些結(jié)果解釋了為什么AlN/Al的界面熱導(dǎo)要遠小于AlN/Si。該工作深化了對界面聲子傳輸和熱輸運的理解，尤其為基于氮化物的高電子遷移率晶體管和大功率發(fā)光二極管等高功率半導(dǎo)體器件的熱管理提供了有價值的信息。
2022年2月18日，相關(guān)成果以“原子尺度探測氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面聲子橋”（Atomic-scale probing of heterointerface phonon bridges in nitride semiconductor）為題，在線發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心2017級博士研究生李躍輝為第一作者，高鵬為通訊作者，其他主要合作者包括北京大學(xué)物理學(xué)院研究助理亓瑞時、2018級博士研究生時若晨，清華大學(xué)胡健楠博士、馬旭村教授、羅毅院士，以及清華大學(xué)和南方科技大學(xué)薛其坤院士等。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金，以及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、懷柔綜合性國家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺、北京大學(xué)高性能計算平臺等支持。
論文原文鏈接：https://www.pnas.org/content/119/8/e2117027119
來源：北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心
