上海大學《Carbon》：原子級缺陷工程，極大地提高GaN/diamond界面熱導

氮化鎵基高電子遷移率晶體管（HEMTs）由于具有高載流子遷移率和高擊穿電壓等優良特性，在電子器件中具有廣闊的應用前景，然而GaN本身的低導熱系數（~130 W/m-1k-1）不能滿足器件的散熱要求。因此，有效的熱管理對于氮化鎵電子器件商業化至關重要。金剛石具有極高的導熱系數（~2000 W/m-1k-1），是藍寶石、硅等傳統襯底材料的理想替代品，可以改善GaN基電子器件的熱性能。

上海大學胡濤、張小新與任忠鳴團隊利用非平衡分子動力學（NEMD）結合第一性原理計算，研究了納米尺度下GaN -金剛石異質界面的熱輸運，并通過缺陷工程研究了界面熱導（ITC）的可調性。探究了不同類型的空位缺陷（如碳空位和氮空位）對ITC的調控表現出不同的趨勢。研究發現隨著金剛石中碳原子被鎵原子（GaC）取代濃度的增加，ITC從完美界面的0.61 GW/m2K顯著上升到9.61 GW/m2K，而金剛石中碳原子被氮取代對ITC的調控作用要弱得多。此外，為了進一步探索GaC缺陷在調節界面熱導方面的潛力，在界面處設計了不同深度和梯度的缺陷分布，實現了界面熱導進一步增強。此研究為改進氮化鎵基電子器件的熱管理缺陷工程設計提供了有價值的見解。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121221

圖1 (a)氮化鎵-金剛石異質界面建模計算和沿熱流方向的溫度分布圖(b)沿傳熱方向的熱流統計圖

圖2 (a)不同溫度下ITC和界面聲子重疊率的變化(b)不同溫度下聲子態密度的變化

圖3 三種空位缺陷（VGa、VC、VN）與ITC之間的關系

圖4 (a)三種替換位缺陷的濃度與界面熱導的關系(b)三種顏色的柱狀圖（紅、藍、紫）表示LD在35 ?到105 ?范圍內缺陷濃度變化與界面熱導的關系，箭頭上的值表示35 ?和105 ?缺陷深度時對應ITC的差值

圖5 (a)氮化鎵、(b)金剛石和(c) GaC缺陷金剛石的聲子譜和聲子態密度結果

圖6 (a)左側為梯度摻雜下聲子態密度的變化，右側橙色星星表示相同條件下的ITC變化。(b) GaC缺陷梯度濃度下界面聲子參與率的變化

總結

該工作利用非平衡分子動力學和第一性原理計算研究了氮化鎵/金剛石界面熱導的缺陷工程。首先，VC可以增加ITC高達50%， PDOS和PPR的結果表明，兩種空位缺陷都在界面處誘導聲子重新分布，最終影響到界面熱導的變化。其次，研究發現界面上的替換位缺陷。隨著缺陷濃度的增加，具有GaC缺陷的系統使得ITC獲得近16倍的增長，與CN等缺陷的影響形成鮮明對比。進一步分析表明，盡管0-20 THz聲子的數量低于20-30 THz聲子的數量，但GaC缺陷的引入顯著增強了這些低頻聲子的激活，從而促進了它們參與界面熱輸運。相應的SHC和第一性原理結果共同支持了ITC顯著增強主要歸因于中低頻聲子的貢獻的結論。有趣的是，增加缺陷深度和擴大GaC濃度梯度對聲子傳播都非常有利，可以產生高達5倍的ITC。該研究有助于GaN與金剛石之間的缺陷工程，以增強界面熱傳遞，從而大大改善大功率電子器件的散熱。

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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