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GaN/AlN异质结构界面热输运性质的分子动力学研究

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王治贺, 李雪洁, 高志斌. GaN/AlN异质结构界面热输运性质的分子动力学研究[J]. 物理学报, 2026, 75(12): 120706. doi: 10.7498/aps.75.20260003
引用本文: 王治贺, 李雪洁, 高志斌. GaN/AlN异质结构界面热输运性质的分子动力学研究[J]. 物理学报, 2026, 75(12): 120706. doi: 10.7498/aps.75.20260003
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Zhihe WANG, Xuejie LI, Zhibin GAO. Molecular dynamics study of interfacial thermal transport in GaN/AlN heterostructures[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(12): 120706. doi: 10.7498/aps.75.20260003
Citation: Zhihe WANG, Xuejie LI, Zhibin GAO. Molecular dynamics study of interfacial thermal transport in GaN/AlN heterostructures[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(12): 120706. doi: 10.7498/aps.75.20260003
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GaN/AlN异质结构界面热输运性质的分子动力学研究

  • 金属材料强度全国重点实验室, 金属多孔材料全国重点实验室, 西安交通大学材料科学与工程学院, 西安　710049

    • 通讯作者: E-mail: zhibin.gao@xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: 79.60.Jv, 66.70.-f, 02.70.Ns, 68.55.Ln

Molecular dynamics study of interfacial thermal transport in GaN/AlN heterostructures

  • State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, State Key Laboratory of Porous Metal Materials, School of Materials Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

    • Corresponding author: E-mail: zhibin.gao@xjtu.edu.cn

  • MSC: 79.60.Jv, 66.70.-f, 02.70.Ns, 68.55.Ln

  • 摘要: 随着功率密度、工作频率和集成度的提高, 电子设备中的热流密度迅速增加, 散热问题成为制约氮化镓(GaN)基电子器件发展的瓶颈. 界面上材料微观结构和元素组成的变化严重阻碍了电子和声子的输运, 因此降低异质结构的界面热阻是提升微纳米器件热管理性能的重要手段之一. 本文采用非平衡分子动力学方法, 系统研究了GaN/AlN异质结构界面热阻在不同温度、尺寸及空位缺陷条件下的变化规律. 结果表明, 随着温度从300 K提升至700 K, GaN/AlN异质界面的界面热阻随温度升高持续降低. 尺寸效应结果显示, 随着GaN/AlN异质结构中AlN层数由3层增加至10层, 界面热阻在AlN为8层时逐渐趋于稳定. 在GaN靠近界面区域引入空位缺陷后, 界面热阻呈现非单调变化特征: 当空位缺陷率由0%增加至5%时, 界面热阻略微减小; 随着缺陷率进一步增大至25%, 界面热阻明显升高, 较无缺陷体系增加约11%. 此外, 当空位缺陷区域逐渐远离界面时, 界面热阻随缺陷区域与界面之间距离L的增加而降低, 并在L ≥ 5 nm后趋于稳定. 通过声子态密度及重叠因子的分析, 本研究阐明了温度、尺寸及缺陷变化分别对GaN/AlN异质结构界面传热的影响, 为GaN基器件界面热输运调控提供了理论依据.
    Abstract: With the continuous increase in power density, operating frequency, and integration level of electronic devices, the heat flux generated in GaN-based devices rises rapidly, making thermal management a critical challenge that limits device reliability and performance. Interfacial thermal resistance (ITR) plays a key role in determining the overall heat dissipation efficiency of heterostructures. In this work, the interfacial thermal transport properties of GaN/AlN heterostructures are systematically investigated using non-equilibrium molecular dynamics simulations. The effects of temperature, structural size, and vacancy defects on the ITR are analyzed in detail. The simulation results show that the ITR decreases monotonically as the temperature increases from 300 K to 700 K, which is mainly attributed to enhanced inelastic phonon scattering and the activation of additional phonon modes at elevated temperatures. The size-dependent analysis indicates that the ITR decreases significantly with increasing AlN layer thickness and gradually converges when the number of AlN layers reaches approximately eight. This behavior is closely related to the enhanced phonon coupling and improved phonon spectral matching across the interface. Furthermore, the introduction of vacancy defects on the GaN side near the interface leads to a non-monotonic variation in ITR. When the vacancy concentration increases from 0% to 5%, the ITR slightly decreases due to improved phonon transmission channels. However, further increasing the defect concentration up to 25% significantly enhances phonon scattering and lattice disorder, resulting in an approximately 11% increase in ITR. In addition, the influence of defect position is examined by varying the distance between the defect region and the interface. The results show that the ITR gradually decreases as the defect region moves away from the interface and stabilizes when the distance exceeds approximately 5 nm. By combining phonon density of states analysis with the phonon spectral overlap factor S, the underlying mechanisms governing interfacial phonon transport are clarified. The present work provides theoretical insights into the modulation of interfacial heat transport in GaN-based heterostructures and offers guidance for thermal management and interface engineering in high-power electronic devices.
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  • 图 1  GaN/AlN 10层异质结构

    Figure 1.  10-layer GaN/AlN heterostructure model

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    图 2  (a) GaN/AlN异质结中沿热流方向的稳态温度分布; (b)热源区与散热器区恒温器能量随时间变化的积累曲线, 通过线性拟合获得体系中的稳态热通量

    Figure 2.  (a) Steady-state temperature profile along the heat transport direction in the smooth GaN/AlN heterojunction; (b) energy accumulation curves of the thermostats at the heat source and heat sink, the steady-state heat flux is obtained from linear fitting.

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    图 3  GaN/AlN异质结ITR的温度依赖性

    Figure 3.  Temperature dependence of the ITR in a smooth GaN/AlN heterojunction.

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    图 4  (a) ITR与异质结构AlN层数的关系; (b)不同厚度下GaN/AlN界面层及块体重叠因子S变化趋势; (c), (d)不同厚度下界面材料和块体材料的PDOS重叠区域及重叠因子S

    Figure 4.  (a) ITR as a function of the number of AlN layers in the heterojunction; (b) variation of the overlap factor S for both interface and bulk layers of GaN/AlN with different thicknesses; (c), (d) PDOS overlap regions and overlap factor S of interface and bulk materials for different thicknesses.

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    图 5  (a) GaN/AlN异质结构ITR随GaN空位缺陷率的变化; (b)不同GaN空位缺陷率下, 界面层与块体区域的PDOS重叠因子S的变化趋势; (c), (d)不同GaN空位缺陷率下, 界面层与块体区域的PDOS重叠区域及其对应的重叠因子S

    Figure 5.  (a) ITR of GaN/AlN heterostructures as a function of GaN vacancy concentration; (b) variation of the PDOS overlap factor S for the interface layer and bulk region at different GaN vacancy concentrations; (c), (d) PDOS overlap regions and the corresponding overlap factor S for the interface layer and bulk region under different GaN vacancy concentrations.

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    图 6  (a) ITR与不同空位缺陷区域距离L的关系; (b)不同空位缺陷区域距离下, 界面层与块体区域的PDOS重叠因子S的变化趋势

    Figure 6.  (a) Relationship between the ITR and the distance L of the vacancy defect region from the interface; (b) variation of the PDOS overlap factor S between the interface layer and bulk region with different distances of the vacancy defect region from the interface.

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    表 1  不同原子对之间的LJ势参数

    Table 1.  LJ potential parameters between different atomic pairs.

    Atom 1 Atom 2 ε/meV σ/Å
    Ga Al 95.54 3.0818
    Ga N 12.14 3.645
    N Al 64.45 3.1368
    N N 8.19 3.7
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    [31] 刘东静, 周福, 胡志亮, 黄家强 2024 物理学报 73 137901 doi: 10.7498/aps.73.20240021 Liu D J, Zhou F, Hu Z L, Huang J Q 2024 Acta Phys. Sin. 73 137901 doi: 10.7498/aps.73.20240021
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图( 6) 表( 1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-01-02
  • 刊出日期:  2026-06-20

GaN/AlN异质结构界面热输运性质的分子动力学研究

    通讯作者: E-mail: zhibin.gao@xjtu.edu.cn
  • 金属材料强度全国重点实验室, 金属多孔材料全国重点实验室, 西安交通大学材料科学与工程学院, 西安　710049
  • 收稿日期:  2026-01-02

摘要: 随着功率密度、工作频率和集成度的提高, 电子设备中的热流密度迅速增加, 散热问题成为制约氮化镓(GaN)基电子器件发展的瓶颈. 界面上材料微观结构和元素组成的变化严重阻碍了电子和声子的输运, 因此降低异质结构的界面热阻是提升微纳米器件热管理性能的重要手段之一. 本文采用非平衡分子动力学方法, 系统研究了GaN/AlN异质结构界面热阻在不同温度、尺寸及空位缺陷条件下的变化规律. 结果表明, 随着温度从300 K提升至700 K, GaN/AlN异质界面的界面热阻随温度升高持续降低. 尺寸效应结果显示, 随着GaN/AlN异质结构中AlN层数由3层增加至10层, 界面热阻在AlN为8层时逐渐趋于稳定. 在GaN靠近界面区域引入空位缺陷后, 界面热阻呈现非单调变化特征: 当空位缺陷率由0%增加至5%时, 界面热阻略微减小; 随着缺陷率进一步增大至25%, 界面热阻明显升高, 较无缺陷体系增加约11%. 此外, 当空位缺陷区域逐渐远离界面时, 界面热阻随缺陷区域与界面之间距离L的增加而降低, 并在L ≥ 5 nm后趋于稳定. 通过声子态密度及重叠因子的分析, 本研究阐明了温度、尺寸及缺陷变化分别对GaN/AlN异质结构界面传热的影响, 为GaN基器件界面热输运调控提供了理论依据.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 在对电气性能要求不断提高的驱动下, 电力电子学的发展要求更高的功率密度和工作频率, 这对半导体和电子设备的电气性能提出更高的要求[1–3]. 作为一种具有代表性的共价晶体材料, GaN已逐步取代硅和砷化镓, 成为新一代功率器件的首选材料. GaN的宽禁带特性使半导体器件(如高电子迁移率晶体管(HEMTs))在保持优异载流子迁移率的同时, 能够承受更高的击穿电压, 从而适用于高频放大器和大功率快速充电系统[4,5]. GaN HEMTs的性能受到自热效应的限制[6,7], 在高功率条件下, 温度可能急剧升高, 影响GaN晶体管的长期稳定性. 为了提高器件的散热效率, 研究者采用高导热系数的衬底材料, 例如金刚石和碳化硅[8–10], 有效增强了GaN HEMTs向外部环境的热传导能力. Cho等[11]利用时间域热反射(TDTR)等技术系统测量了GaN/金刚石复合衬底中GaN与金刚石之间的热界面阻抗, 并结合有限元模拟研究了界面热阻(ITR)对器件热性能的影响, 结果表明GaN/金刚石界面的热界面阻抗在室温下约为20—50 m2·K·GW–1, 这在一定程度上制约了器件的热管理效率, 因此, 有必要开展系统的实验与理论研究, 以深入理解并优化GaN/衬底界面的热输运特性.

      尽管金刚石基衬底有较高的热导率, 能有效缓解器件自加热限制, 但AlN与GaN具有更高的晶格匹配度, 一般作为器件散热结构中的过渡层. 由于界面两侧材料在声子色散关系、原子质量及力常数等方面存在差异, 声子在界面传播过程中会发生部分反射与散射, 从而产生额外的热流阻滞效应, 该附加热阻通常称为界面热阻. 随着微纳器件特征尺度的减小以及单位面积热流密度的提高, 界面热阻逐渐成为制约热扩散效率和器件长期可靠性的关键因素. 由此深入研究GaN/AlN异质结的界面热阻及其调控机制, 对于连接微观声子动力学行为与宏观热传导性能, 从而提升GaN基器件的散热效率, 保持其长期可靠性, 具有重要的科学意义[12].

      本文研究的GaN/AlN异质结构中, 界面热输运由声子贡献主导. 由于GaN和AlN均为宽禁带半导体, 自由载流子浓度极低, 电子热导率远小于声子热导率; 且半导体界面热阻的物理本质源于声子谱失配与界面散射, 电子贡献仅在金属/半导体界面中显著. 因此本文采用的非平衡分子动力学(NEMD)方法, 本质描述声子热输运, 重点研究声子对界面热阻的贡献.

      Wang等[13]通过改变GaN/AlN界面不同AlN相形态, 显著改善了界面热导率. 声子振动谱分析表明, 界面声子模态主导了不同晶体结构下的能量传输过程. 此外, 由于非弹性声子散射增强以及高温下额外声子模态的激发, 热边界导热率随温度升高而增加. 这些结果为优化GaN/AlN界面设计、降低界面热阻提供了新的理论依据. Li等[14]测量了GaN/AlN界面的界面热导率, 发现由于晶体缺陷引起的声子散射较弱, 从而导致其随温度显著变化. 同时, 他们基于理论计算考虑声子谱计算界面热导率. 研究表明, 界面热导率的尺寸依赖性主要源于准弹道热传输及厚度受限对长平均自由程声子模态散射的抑制. 此外, Bao等[15]直接计算了GaN/AlN的界面热导率, 发现其界面热导远大于GaN/金属、GaN/Si和GaN/SiC. 通过结构相似性和界面声子模来揭示其形成机制. 文献[16,17]从界面工程角度研究了异质界面的热输运特性, 发现合理设计过渡层和界面结构能够有效改善界面声子传输效率, 进而提升界面热输运性能. 总之, 随着电子器件向小型化和更高功率密度发展, 界面热阻在总热阻中的比例显著增加[18].

      作为GaN基器件的关键部件, GaN/AlN的ITR对热管理至关重要[14,19,20]. 目前多数研究集中在理想条件下AlN/GaN异质结构的界面热输运, 而关于尺寸效应及缺陷等因素对界面散热性能的影响尚缺乏系统性分析. 因此, 本文探讨了GaN/AlN异质结构在不同温度、尺寸、缺陷浓度及缺陷位置条件下的界面热输运特性. 这些发现为理解GaN/AlN异质结热传导特性提供了一个新的视角, 并为设计具有增强热管理性能的半导体器件提供了重要的理论指导.

    2.   模型构建与模拟过程

    • AlN和GaN原子构型为纤锌矿相, 经VASP[21]优化后, 本工作所用的GaN实际参数a和c分别为3.186 Å和5.184 Å. AlN实际参数a和c分别为3.091 Å和4.947 Å. GaN和AlN沿[0001](z轴)方向取向, 该方向具有Ga中最佳的导热性, 从而导致晶格失配应力可忽略不计[22]. 为定量评估GaN/AlN异质结的晶格匹配程度, 引入面内晶格失配率χ, 其定义为$ \chi=\dfrac{a_{{\mathrm{GaN}}}-a_{{\mathrm{AlN}}}}{a_{{\mathrm{GaN}}}}=2.98{\text{%}} $. GaN和AlN的初始结构均为$ 6 \times 10 \times 1 $. 通过先建立基本异质结构, 再在z方向上进行扩胞, 得到完整的GaN/AlN异质结构模型. 如图1所示.

      本文采用大规模原子/分子大规模并行模拟器(LAMMPS)[23]进行非平衡分子动力学模拟. 周期条件用于x, y和z方向. 热流的方向是沿z轴的. 为更准确地反映热输运特性, 沿z方向两端固定部分原子, 并分别将左端和右端指定为热源与冷源. 评估了一系列时间步长, 以在模拟框架内保持一致的总能量, 同时也将计算成本保持在最小. 通过平衡计算精度与计算时间, 选择了0.5 fs的时间步长, 并在所有MD模拟中统一应用. 对于平衡复杂界面体系而言, 采用较小的时间步长是必要的.

      需要指出的是, 在本文所研究的GaN/AlN异质结构中, 块体区域与界面区域的原子相互作用具有不同的物理特征. 在GaN和AlN体材料内部, 原子间相互作用以共价键为主, Tersoff势能够有效描述其多体相互作用特性及相应的声子动力学行为, 该势函数已被广泛应用于纤锌矿GaN和AlN的结构与热输运性质研究中. 因此, 本文采用Tersoff原子间相互作用势[24,25]描述纤锌矿GaN和AlN块体区域中的Ga-Ga, Ga-N, Al-Al, Al-N及N-N原子间相互作用.

      相比之下, 在GaN/AlN异质界面处, 界面原子间相互作用主要体现为界面耦合对声子透射行为的调制, 并不涉及新的稳定共价键形成. 鉴于目前尚缺乏能够同时准确描述体相与跨界面Ga-N, Al-N以及Ga-Al等多组分相互作用的统一多体势函数, 本文采用Lennard-Jones (LJ)势对GaN/AlN界面原子间相互作用进行参数化处理, 以刻画界面处的有效耦合强度. 该处理方法已在半导体异质结构界面热输运的分子动力学研究中得到广泛应用[26]. LJ势函数由(1)式定义:

      其中, r为原子间距离, ε为原子间相互作用强度的能量, σ为势能为零的原子间距, χ为比例因子. 表1列出了这些参数.

      在仿真初始阶段, 首先采用共轭梯度法将系统能量优化至最小, 以保证结构在能量最小化过程中保持稳定. 随后, 为了实现系统的动力学平衡, 在NVT系综(恒原子数N、恒体积V、恒温度T)下对系统进行弛豫, 温度设定为300 K. 接着, 将体系从NVT系综切换至NVE系综(恒原子数N、恒体积V、恒总能量E), 并采用朗之万方法运行5×106步, 以确保系统达到稳定状态. 完成弛豫后, 系统继续在朗之万方法下运行5×106步, 以进一步维持动力学稳定. 计算获得温度的数据如图2所示. 图2(a)显示了具有光滑界面的GaN/AlN异质结中沿热流方向的温度分布. 跨越GaN/AlN界面的热通量q通过拟合恒温器能量随时间变化的能量积累曲线获得, 如图2(b)所示. 在界面区有一个温度不连续的$ \Delta T $, 这表明在AlN和GaN之间存在ITR. 在系统达到非平衡稳态后, 热流密度和温度在额外的5 ns内进行了时间平均. 为了使统计误差最小化, 在同一模拟中进行多次测量, 然后求取平均值. 使用$ \Delta T $和热通量q的平均值来计算AlN/GaN的ITR值:

      在NEMD模拟中, 恒温器被用来保持热源处(hot source)的较高温度和散热器处(heat sink)的较低温度, 从而产生热通量. (2)式中, q表示单位面积的热流量, 它是由下式定义:

      其中, $ \Delta E_{{\rm{heatsource}}} $和$ \Delta E_{{\rm{heatsink}}} $分别表示在时间间隔$ \Delta t $内恒温器向热源区输入的能量以及从散热器区移除的能量; A为体系的横截面积; $ \Delta t $为用于统计能量交换的时间区间. 界面处的温度跃迁$ \Delta T $通过将界面两侧材料的稳态温度分布分别进行线性拟合, 并外推至界面位置来确定, 如图2(a)所示. 在进行线性拟合时, 通常忽略热源区和散热器区附近的温度点, 以及紧邻界面的温度点, 因为这些区域往往受到恒温器扰动或界面散射的影响, 呈现明显的非线性特征.

      在异质结构中, 声子主要在界面中的平面内(x和y方向)和平面外(z方向)发生单一的非弹性散射, 扩散到附近的材料中. 在这个过程中, 声子碰撞的概率随着界面中相应的声子态密度(PDOS)[27]增长而增长. 此外, 平面外声子对ITR的影响明显高于平面内声子. 因此, 本文重点分析z方向上的PDOS来研究界面热输运特性, 分析ITR的变化. PDOS是从平衡状态下的速度自相关函数(VACF)方程(4)的傅里叶变换得到:

      其中, N是系统中的原子数; $ v_{i}\left(t\right) $是粒子i在t时刻的速度; ω是声子频率; PDOS的单位为THz–1, PDOS指的是单位频率间隔内声子振动模数, 经常被用来描述声子的行为, 并在解释热传导机制中起着至关重要的作用. 两个界面之间的声子跃迁可以通过计算它们之间的PDOS的重叠来确定. 重叠积分因子S [28,29]定义为

      其中$ P_{\text{1}} $和$ P_{\text{2}} $是频率为ω的GaN和AlN的PDOS. 如图1所示, GaN/AlN异质结被分成几个不同的区域. 实际上, GaN和AlN界面上的原子是分开描述的, 本研究选择靠近界面的固定距离的原子作为研究对象, 以便于更精确的计算分析. 接下来对比分析AlN的整体PDOS与GaN的整体PDOS, 以及AlN和GaN的界面附近的PDOS的重叠图. 这些分析有助于揭示界面上声子模的相互作用和耦合, 从而为优化异质结的导热性能提供理论依据.

    3.   结果与分析

      3.1.   温度对GaN/AlN异质结构ITR影响

    • 图3显示了从MD模拟获得的ITR的温度依赖性. Wang等[13]研究了具有三种不同界面形貌的GaN/AlN异质结的ITR, 发现ITR随温度升高而降低. 这一趋势可以归因于非弹性声子散射的增强和更高温度下附加激发声子模的参与. Bao等[15]提出利用NEMD和基于第一性原理的蒙特卡罗模拟进一步研究了GaN/AlN界面的ITR与温度的关系, 发现ITR与温度呈负相关. Xue等[22]采用NEMD方法, 研究结果同样显示ITR随温度升高而持续下降. 本研究基于NEMD计算得到的ITR与上述文献结果在同一数量级, 温度变化规律保持一致[30], 进一步验证了模型和计算方法的可靠性.

      本研究计算的ITR的温度变化趋势与文献报道的一致. 需要指出的是, 不同研究中获得的ITR绝对数值存在一定差异, 这主要源于模拟体系尺寸、界面原子结构以及边界条件的不同. 在纳米尺度下, 界面热阻对体系尺度高度敏感, 有限尺寸效应会显著影响声子输运特性. 然而, 这些差异并不影响不同研究中一致观察到的ITR随温度升高而降低的基本物理规律.

      • 3.2.   尺寸对GaN/AlN异质结构ITR影响

    • 本研究通过NEMD模拟研究了尺寸效应对GaN/AlN异质ITR的影响. GaN/AlN异质结在z方向(垂直于界面)展开, 并计算了相应的ITR. 图4显示了尺寸变化对GaN/AlN的ITR的影响. 图4(a)给出了GaN和AlN在与厚度方向对应的z方向上同时展开后的计算结果. 随着GaN/AlN异质结中的层数从3增加到8, ITR显著降低, 从$ 3.922\; {\rm{m}}^2{\cdot} {\rm{K}}{\cdot}{\rm{GW}}^{-1} $下降到约$ 3.445\; {\rm{m}}^2{\cdot}{\rm{K}}{\cdot} {\rm{GW}}^{-1} $, 减少了约12.2%. 刘东静等[31]通过分子动力学模拟研究表明, 随着AlN层数由2层增加至11层, GaN/AlN界面热阻逐渐降低并在约10层后趋于稳定. Shi等[32]以碳纳米管/石墨烯异质结构为研究对象, 发现当体系尺寸在0—100 nm范围内变化时, 界面热阻随尺寸增加逐渐降低并最终趋于稳定. 尽管不同研究中异质结构的界面组成存在差异, 但尺寸效应对界面热阻的影响呈现出一致的变化趋势. 这种变化突出了尺寸效应对ITR的影响, 并揭示了随尺寸的变化, 界面上声子散射和热传递更加复杂.

      为了阐明GaN/AlN异质结界面热阻变化的机制, 本研究计算了界面材料和块体材料的重叠因子S (如图4(b)所示), 并分析了不同厚度条件下GaN和AlN界面的PDOS重叠区. 图4(c)显示, 随着界面层厚度的增加, AlN界面处的PDOS分布变化不明显, 说明AlN界面层的声子态密度在厚度变化下保持相对稳定. 相比之下, GaN界面层的PDOS随着界面层厚度的增加而下降, 尤其在15—20 THz和25 THz附近的频率范围内. 界面处GaN的PDOS面积逐渐减小表明其声子态密度降低, 界面声子散射效应随厚度增加而减弱. 散射效应的减弱有助于增强GaN和AlN界面声子的耦合, 从而提高声子传输效率, 降低界面热阻.

      结合图4(b)和图4(d)可以看出, 随着GaN/AlN异质结层数从3层增加至10层, 界面材料的重叠因子S逐渐上升, 而块体材料整体变化趋势较弱, 仅呈现一定波动. 界面S的持续升高说明界面两侧振动态匹配程度增强, 界面声子耦合强度随之提高, 从而促进跨界面声子的有效传输, 是界面热阻降低的主要原因. 相比之下块体区域对界面热阻变化的直接贡献较小. 块体分析主要作为对照组, 用于区分界面调制效应与整体材料本征特性的差异, 而非界面热阻变化的主导因素. 这表明随着层数增加, 界面声子的耦合强度增强, 但整体材料的声子态密度并未受到明显影响. 总体而言, 界面PDOS的变化以及界面材料重叠因子S的上升共同促进了界面声子的有效传输, 从而降低了GaN/AlN异质结的界面热阻. 相比之下, 块体材料的S变化不明显, 说明整体材料声子态密度相对稳定, 对界面热阻的直接影响较小, 但可作为界面效应变化的对照参考.

      • 3.3.   缺陷对GaN/AlN异质结构ITR影响

    • 在实际晶体材料和器件制备过程中, 由于生长条件、晶格失配以及热应力等因素的影响, 界面及其邻近区域中不可避免地会引入各类结构缺陷. 这些缺陷的存在会改变声子的传播通道并调制界面耦合强度, 从而对界面热输运效率产生重要影响. 此前, 刘东静等[31]采用非平衡分子动力学方法, 对石墨烯/GaN异质结构的界面热输运行为进行了研究, 并从微观机制层面探讨了缺陷对界面热边界导热率的影响. 揭示了适度缺陷对界面热传输的促进作用, 为理解异质界面声子输运提供了理论依据.

      为进一步揭示缺陷对GaN/AlN异质界面热输运的影响机制, 本文在GaN/AlN异质结构中引入不同浓度(0%—25%)的空位缺陷, 在GaN侧界面附近通过随机去除Ga与N原子构建空位缺陷, 而AlN层始终保持为无缺陷的理想晶体结构. 在固定GaN/AlN异质结层数为10的条件下, 系统考察了GaN空位缺陷浓度变化对ITR的影响. 如图5(a)所示, GaN/AlN异质结构的界面热阻随GaN空位缺陷率呈现明显的非单调变化特征. 当缺陷率由0%增加至5%时ITR略微降低; 当缺陷率进一步提高时ITR明显上升. 适当的GaN空位缺陷有助于降低GaN/AlN异质结构的界面热阻; 相比之下, 无缺陷体系的ITR为$ 3.45\; {\rm{m}}^2{\cdot}{\rm{K}}{\cdot}{\rm{GW}}^{-1} $; 当缺陷率增加至5%时, ITR降至最小值$ 3.39\; {\rm{m}}^2{\cdot \rm{K}}{\cdot \rm{GW}}^{-1} $. 然而, 随着缺陷率进一步提高, ITR出现显著上升趋势. 当缺陷率达到25%时, 界面热阻较无缺陷体系增加约11%.

      为阐明图5(a)中界面热阻随空位缺陷率呈现的非单调变化规律, 进一步分析了不同缺陷率下GaN/AlN界面层及块体区域的PDOS及其重叠因子S, 结果如图5(b)—(d)所示. 界面热阻本质上取决于声子在界面处的透射特性, 因此界面层PDOS直接反映界面声子耦合强度, 而块体PDOS则决定到达界面的声子供给能力. 综合分析表明, 空位缺陷对界面热输运的影响表现为两种相互竞争的物理机制: 1)界面两侧声子态密度变化机制; 2)缺陷诱导的散射与局域化增强机制.

      当空位缺陷率较低(0%—5%)时, 界面热输运主要受声子谱重构效应控制. 少量空位引入力常数扰动, 使部分高频振动模式受到抑制, GaN界面层在20—25 THz区间的PDOS明显降低. 该变化表明高频散射声子态减少, 界面两侧在中频区间的谱匹配程度相对提高. 尽管整体重叠因子S略有下降, 但有效参与输运的传播声子频率窗口得到优化, 从而提高声子透射效率, 导致ITR略有降低[30,31].

      随着缺陷率进一步增加(>5%), 缺陷诱导的无序散射机制逐渐占主导[33]. 大量空位显著破坏晶格周期性, 导致声子弹性散射增加、声子平均自由程缩短, 从而降低有效透射通道数量. GaN界面层在15—20 THz区间的PDOS增强, 表明局域振动模数量增加, 而这些局域模难以有效参与跨界面输运. 同时界面层与块体区域的重叠因子S明显减小, 界面耦合强度持续下降.

      从块体区域来看, PDOS随缺陷率呈现先增加后降低的趋势. 在低缺陷率下, 适度缺陷引入的局域振动模增加了可参与输运的声子态密度, 增强声子向界面的供给能力; 而在高缺陷率下, 强无序导致传播声子数量显著减少, 声子从块体向界面的输运能力明显削弱. 界面耦合减弱与声子供给能力下降的协同作用最终导致ITR显著升高.

      综上, ITR的非单调变化源于声子谱重构与缺陷散射增强两种机制的竞争: 低缺陷率下谱匹配优化促进界面热输运, 而高缺陷率下无序散射与局域化效应占主导, 抑制声子跨界面传输.

      本文还研究了空位缺陷区域的位置对GaN/AlN异质界面热阻的影响. 空位缺陷区域宽度设置为5 Å, 缺陷浓度为20%, 并定义了一个长度L, 表示空位缺陷区域与界面之间的距离. 缺陷区域逐渐远离界面并在GaN中引入空位缺陷, 计算结果如图6所示. 结果表明, 随着缺陷区域距离界面L的增加, 界面热阻逐渐下降并趋于稳定, 这说明缺陷对界面热阻的影响随距离减弱. 进一步分析发现, 该过程存在一个特征临界距离$ {{L}}_{{\rm{d}}} \approx 5 $ nm. 当${{L}} \lt {{L}}_{{\rm{d}}} $时, 界面热阻随着缺陷区域远离界面的增加而显著下降; 当${{L}} \geqslant {{L}}_{{\rm{d}}} $时, 界面热阻变化趋缓, 说明界面热输运对远离界面的缺陷的敏感性明显降低. 这是因为在声子到达缺陷区域之前, 可以通过缺陷前的缓冲区进行固有声子-声子散射. 当缓冲区足够厚时, 即使空位缺陷位于界面较远的位置, 声子经过缺陷散射后仍可能通过缓冲区重新散射到本征态, 从而界面热阻不再显著增加. 由于本研究中设置的空位缺陷区域较短(5 Å), 即使较短的缓冲区也足以降低缺陷对界面热阻的影响, 但并不意味着界面热阻完全恢复到无缺陷水平.

      这一结果进一步证实, 界面前声子-空位散射是GaN/AlN异质界面热阻增加的主要原因, 而非界面本身的效应. 以往研究表明, 在界面引入空位或其他适宜质量原子可增强界面热输运[30,33], 与该结论相比, 本研究强调了缺陷位置对界面热阻的关键作用.

    4.   结　论

    • 本文基于非平衡分子动力学方法, 系统研究了GaN/AlN异质结构界面热阻在不同温度、尺寸及GaN侧空位缺陷条件下的演化规律, 并结合声子态密度以及重叠因子S等物理量对界面热输运机制进行了深入分析, 主要结论如下.

      1)温度效应: 随着温度升高, ITR显著降低, 表明高温下非弹性声子散射增强及更多高频声子模参与, 有助于提高界面声子透射能力. 该趋势与已有理论与模拟结果一致, 验证了模型与方法的可靠性.

      2)尺寸效应: 随着AlN层数增加, ITR明显下降并在AlN为8层时趋于稳定. 界面层PDOS重构及重叠因子S的升高表明界面声子耦合增强, 而块体PDOS变化有限, 对界面热阻的影响主要体现在声子供给层面.

      3)缺陷效应: 在GaN侧靠近界面引入适量空位缺陷(约5%)可降低ITR, 而高缺陷率显著增加界面热阻. 低缺陷率下, 局域振动模增强了界面声子耦合; 高缺陷率下, 强无序导致声子散射增强, 显著抑制界面热输运. 并且研究了空位缺陷区域的位置对GaN/AlN异质界面热阻的影响. 随着缺陷区域距离界面L的增加, 界面热阻逐渐下降并在一个特征临界距离$ {{L}}_{{\rm{d}}} \approx 5 $ nm趋于稳定. 当${{L}} \lt {{L}}_{{\rm{d}}} $时, 界面热阻随着缺陷区域远离界面的增加而显著下降; 当${{L}} \geqslant {{L}}_{{\rm{d}}} $时, 界面热阻变化趋缓, 说明界面热输运对远离界面的缺陷的敏感性明显降低.

      本研究揭示了GaN/AlN异质结构中界面声子耦合、尺寸效应及缺陷调控对热输运的内在机制, 为高热导GaN基器件的界面设计与缺陷工程优化提供了理论依据.

    参考文献 (33)

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