1 工作简介
清华大学孙波、北京大学王新强和上海交通大学顾骁坤 联合，在金属/半导体界面的导热机制取得重要进展，相关研究成果以Inelastic phonon transport across atomically sharp metal/semiconductor interfaces 为题，于2022年8月20日发表于《自然通讯》期刊（Nature Communications, 13, 4901 (2022) ）。
随着半导体器件功率密度的不断升高，散热成为阻碍器件性能提升的一大问题。而随着摩尔定律的发展以及器件尺寸的缩小，界面导热成为限制散热的最重要的因素。因此，研究界面热输运对于半导体器件的散热具有重要的应用价值和科学意义。 一般来说，两种半导体或者金属-半导体形成的界面，其界面热导在高温（即超过德拜温度）下会饱和。声子在德拜温度下全部被激发，传统的扩散不匹配模型认为界面声子输运是弹性的，声子穿过界面能量不发生变化，因此界面热导在高温下饱和，不再随着温度增加。 我们试图探索在什么样的情况下界面热导会提高。为此，团队采用MBE的方法，通过精确控制生长条件制备出原子级平整和含有1 nm扩散区的两个Al/Si界面。我们精确测量了不同温度下界面热导，发现平整界面的热导在高温下随温度升高，与传统理论背离；而粗糙界面的热导在高温下趋于饱和，符合传统的扩散不匹配模型。在Al/GaN界面上我们发现了类似的现象。我们的理论计算表明，平整界面的界面热导随温度升高而升高是由于声子在界面处的非弹性输运引起的。原子级平整界面处声子透射能力表现出更强的频率相关性，使得声子非平衡更显著，促进了声子间的非弹性转化，从而在高温下展现出更强的温度相关性。
图1. （a）平整的Al/Si界面。（b）带有1 nm互扩散层的Al/Si界面。
本工作发现了平整的Al/Si、Al/GaN界面上声子的非弹性输运，这个额外的声子输运通道提高了高温下的界面热导，从而有效提高了散热效率。本工作解决了长久以来对界面声子非弹性作用机理的争论并可指导半导体器件中的热设计。
图2.（a）Al/Si的界面热导。Sample 1为平整界面的界面热导，可见其在高温下（高于Al的德拜温度428 K）随温度升高而升高，背离传统的扩散不匹配模型。Sample 2具有互扩散层，其界面热导在高温下饱和。（b）Al/GaN的界面热导。高温下类似Al/Sample 1，偏离扩散不匹配模型。
孙波 ，清华大学深圳国际研究生院副教授，博士生导师。
2016年获得新加坡国立大学机械工程专业博士学位。2016年~2018年，在加州理工学院机械工程系从事博士后研究工作。2019年入职清华深圳国际研究生院，主要从事微纳尺度传热领域的研究工作，已在Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials 等学术期刊发表论文20余篇。获得广东省深圳市“孔雀人才”计划资助，主持基金委国际合作重点项目、深圳市优秀青年基金等。
2012年获杰出青年基金，2013-2014年受聘CJ特聘教授。长期从事第三代半导体材料、物理与器件研究，在Nature子刊, Adv Mater, Nano Letters, Light Sci Appl.等刊物上发表论文260余篇，SCI引用4200余次，获得发明专利三十余项，获2018年度国家技术发明二等奖（第三完成人），部分研究成果实现产业化。
通讯作者
顾骁坤 ，上海交通大学机械与动力工程学院副教授，博士生导师。
2016年获得科罗拉多大学博尔德分校机械工程专业博士学位。2016年入职上海交通大学，从事微纳尺热输运与能量转换的研究工作，累计在 Reviews of Modern Physics, Nano Letters, Physical Review B, International Journal of Heat and Mass Transfer 等期刊发表论文近50篇。承担来自国家自然科学基金委、上海浦江人才计划等项目。
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