通过分子动力学研究GaN/金刚石界面上的热传输机制：多因素调控及声子桥接作用机理的阐明

《Applied Surface Science》：Engineering thermal transport across GaN/diamond interfaces: multifactor regulation and phonon bridge mechanisms elucidated by molecular dynamics

热界面优化策略研究。采用分子动力学模拟分析GaN/diamond异质结构中硅中间层厚度、结晶度及界面结合强度对热边界电阻（TBR）的影响，发现a-Si中间层厚度增加导致TBR单调上升，而c-Si中间层在2-4nm厚度时通过优化晶格匹配与散射平衡实现TBR最低。界面结合强度增强可使最佳厚度增大，为高功率密度GaN-on-diamond器件的热设计提供理论依据。

　　

袁莉|李世明|吴杰|刘天健|刘书娟|吴梅|袁超

武汉大学集成电路学院，中国武汉430072

摘要

目前用于GaN/金刚石异质结构的集成技术主要是表面激活键合（SAB），这种技术通常需要加入非晶硅（a-Si）中间层，而这不可避免地会增加热边界电阻（TBR），从而大幅限制了热耗散性能。然而，关于中间层的晶体结构、厚度和键合强度如何共同影响界面热传输的系统性理解仍然不足。通过分子动力学模拟，我们发现增加a-Si中间层的厚度会单调地提高TBR，这一趋势源于声子谱的不匹配以及在多个频率上的强烈局域化。此外，在1–6纳米的厚度范围内，Si/金刚石界面的TBR始终低于Si/GaN界面，且两者之间的比率几乎保持恒定。相比之下，晶体硅（c-Si）中间层则起到了积极的声子桥梁作用，使得TBR与厚度的关系呈现非单调性，最佳厚度窗口为2–4纳米。在3纳米时，TBR达到最小值，此时声子谱匹配的改善与内在散射之间的权衡达到最佳平衡。此外，我们还发现界面键合强度显著影响这一最佳厚度：更强的键合通过提高润湿效果，使TBR最小值向更大的厚度方向移动。本研究为界面热设计提供了一个统一的框架，并为通过控制中间层晶体化和增强纳米尺度键合来制造热优化的GaN–金刚石异质结构提供了可行的策略。

引言

基于金刚石的氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）在通信和电力电子等领域具有巨大潜力[1]。与传统GaN-on-SiC结构相比，它们理论上可以提供超过三倍的功率密度[2]，[3]。然而，界面处的热边界电阻（TBR）仍然是限制功率密度进一步提升的瓶颈[4]，[5]。实现GaN与金刚石之间的高效热耦合面临重大挑战[6]，[7]。

目前将GaN与金刚石集成的主要技术包括反向外延生长和键合方法[8]。其中，表面激活键合（SAB）能够在异质器件中实现高质量的金刚石集成，并简化界面结构[9]。然而，这一过程不可避免地会引入非晶硅（a-Si）中间层，这种无序结构可能导致TBR增加[10]，[11]。此外，GaN–金刚石界面的TBR还受到硅（Si）中间层厚度的影响[1]。但由于制造技术的限制，最佳厚度尚未确定。工艺参数与热传输性能之间的复杂关系迫切需要从声子角度进行基础研究。

值得注意的是，退火可以促进非晶界面区域的再结晶，从而降低TBR[12]。此外，退火对TBR的降低程度取决于Si中间层的厚度[1]。因此，实现这种改善高度依赖于对中间层厚度的精确控制。研究晶体硅（c-Si）中间层厚度对界面热传输的影响同样重要，可以为工艺设计提供指导。此外，退火还有助于消除键合过程中引入的空位和缺陷，并改变界面原子键合的强度[13]。这些界面键合强度的变化可能会反过来影响中间层的最佳厚度。理解和操控不同键合强度下的“声子桥梁”效应对于解决热管理问题至关重要。

分子动力学（MD）模拟已被证明是揭示声子传输机制的强大工具，并在TBR研究中显示出独特价值[14]，[15]。然而，现有的基于金刚石的GaN系统模拟工作存在明显局限性：一方面，大多数研究没有考虑实际器件中常见的Si中间层[16]，[17]，[18]；另一方面，关于晶体/非晶界面区域厚度对声子传输影响的系统报告仍然缺乏；此外，TBR对Si厚度和界面键合强度的双重依赖性也尚未得到充分探索。这些不足使得现有模型难以指导中间层厚度的工艺优化，缺乏清晰的物理洞察力，也无法预测中间层厚度对TBR的影响。

为了解决这些问题，本研究首先建立了一种跨平台的协作建模方法，构建了具有不同厚度（1–6纳米）非晶或c-Si中间层的GaN/Si/金刚石异质结构模型。然后，使用非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算每个模型的TBR。采用声子分析方法来量化材料界面区域中的声子态密度（PDOS）和声子参与率（PPR）的变化。特别是，为了全面了解声子在穿过Si中间层时在不同频率带的变化，我们比较了晶体硅和非晶硅中间层的热传输性能。

部分摘录

分子动力学模拟

在本研究中，所有模拟均使用开源的大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）平台进行，该平台采用NEMD方法来捕捉热驱动的传输过程。这种方法通过数值解分子系统的运动方程来阐明材料结构和性质[19]，[20]。

模拟域是在三维周期性边界条件系统中构建的。这种配置确保了任何

a-Si中间层厚度对热传输的影响

为了研究a-Si中间层对界面热传输的影响，我们计算了不同a-Si中间层厚度（0–6纳米）的GaN/a-Si/金刚石三明治结构的TBR。0纳米中间层是一个理想化的结构，在实际中无法实现，因为两种材料之间无法直接键合[39]。先前通过生长技术制备的界面研究报告的TBR值高达61–220 m²K/GW[39]，[40]。

结论

总之，本研究利用多尺度分子动力学方法系统地分离了中间层晶体结构、厚度和界面键合强度对GaN/金刚石异质结构热传输的复杂影响。我们明确证明了a-Si中间层（表面激活键合的常见副产品）的存在会由于严重的声子谱不匹配和多频率局域化而显著增加TBR，导致TBR呈单调增加

CRediT作者贡献声明

袁莉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，资源准备，方法论，实验设计，数据分析，概念化。李世明：指导与监督。吴杰：验证，监督。刘天健：验证。刘书娟：验证。吴梅：验证，方法论。袁超：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，项目管理，方法论，实验设计，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了湖北省自然科学基金（项目编号2025AFA119）和中央高校基本科研业务费（项目编号2042025gf0007）的支持。此外，吴梅和李世明还得到了国家自然科学基金（项目编号62574152）的支持。来自长江实验室的作者们还感谢武汉市科技重大项目（项目编号2024060802020160）以及自然科学基金