當前，信息技術的高速發展對半導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，界面的導熱能力實際上已經成為制約器件性能提升的瓶頸，因此，研究其界面導熱機制尤其重要。在半導體器件中，界面熱導主要是由異質結界面附近的幾個原子層產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異質結界面處的原子分辨圖；(b) AlN/Si異質結界面的EELS譜；(c) AlN/Si和AlN/Al異質結四種不同界面模式的聲子態密度分布及對界面熱導的貢獻
近來，北京大學物理學院量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬教授課題組，發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（Nature Communications 2021, 12, 1179; 發明專利：ZL202011448013.7），并展示了可應用于異質結界面聲子色散的測量（Nature 2021, 559, 399)。最近，他們和清華大學、南方科技大學等合作，利用該譜學方法測量了第三代半導體氮化鋁（AlN）與硅（Si）襯底、金屬鋁（Al）電極等界面的晶格動力學行為，并探索了不同界面的聲子傳輸行為及其對界面熱導的貢獻。
聯合研究團隊發現AlN/Si和AlN/Al的界面聲子模式迥然不同，從而導致界面熱導數倍的差異。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的體態聲子都有很強的關聯，使得一側的聲子通過彈性/非彈性散射穿過界面到達另一側，充當連接兩側體態聲子的橋梁，從而有助于提升界面熱導；而部分擴展模式和孤立模式對界面熱導貢獻很小。聯合研究團隊首先在AlN/Si異質結界面上觀測到了界面模式具有明顯的橋效應：界面存在原子尺度局域的聲子模式，與界面兩側AlN和Si的不同能量的體聲子都能發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。這些結果解釋了為什么AlN/Al的界面熱導要遠小于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光二極管等高功率半導體器件的熱管理提供了有價值的信息。
2022年2月18日，相關成果以“原子尺度探測氮化物半導體異質結界面聲子橋”（Atomic-scale probing of heterointerface phonon bridges in nitride semiconductor）為題，在線發表于《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。北京大學物理學院量子材料科學中心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物理學院研究助理亓瑞時、2018級博士研究生時若晨，清華大學胡健楠博士、馬旭村教授、羅毅院士，以及清華大學和南方科技大學薛其坤院士等。
上述研究工作得到國家自然科學基金，以及量子物質科學協同創新中心、懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺、北京大學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：北京大學量子材料科學中心
