从原子尺度到器件尺度的热传输建模：研究非晶Al?O?/β-Ga?O?栅极堆栈界面中的热传导机制

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Atomistic-to-device modeling of thermal transport across amorphous Al 2O 3/β-Ga 2O 3 gate-stack interfaces

　　

摘要

非晶态Al₂O₃被广泛用作高κ栅极介电材料以及β-Ga₂O₃ MOS器件中的表面氧化物，在这些器件中，氧化物/半导体界面成为半导体热设计中的一个重要因素。本研究通过结合密度泛函理论（DFT）、基于预训练、微调和精炼（PFD）流程构建的机器学习原子间势能，以及非平衡分子动力学（NEMD）模拟，研究了非晶态Al₂O₃/β-Ga₂O₃栅极堆叠异质界面的热传输特性。首先通过熔化-淬火工艺生成结构经过验证的非晶态Al₂O₃模型，然后利用这些模型构建不同β-Ga₂O₃取向的界面。计算结果表明，界面热导率（ITC）具有方向依赖性，其中(100)和(?201)取向的ITC在室温下高于(001)取向。进一步使用不同非晶态Al₂O₃配置进行的测试证实，这一趋势并非由单一的非晶态实现方式主导。温度依赖的ITC在统计不确定性范围内表现出方向依赖性波动，而空位-缺陷结果则显示出非单调变化，反映了界面键合、结构无序和振动耦合的综合作用，而不仅仅是温度或缺陷浓度的简单依赖。通过等效的热接触层将NEMD得到的ITC结果引入到器件级别的电热模型中，建立了原子级界面传输与β-Ga₂O₃功率器件热响应之间的跨尺度联系。这些结果为技术相关的栅极堆叠界面的热传输提供了原子级别的洞察，并为超宽禁带半导体器件的界面感知热设计提供了指导。

引言

氧化镓（β-Ga₂O₃）因其较大的禁带宽度、高的理论击穿场强以及可获得的熔融生长块状衬底，已成为下一代功率电子学中极具前景的超宽禁带半导体[1]。因此，它在高压和高功率应用方面的潜力近年来受到了越来越多的关注[2]。然而，β-Ga₂O₃也存在明显的热学缺点：其热导率相对较低且具有强烈的各向异性，这容易导致器件在运行过程中产生严重的自热[3,4]。因此，散热成为限制β-Ga₂O₃功率器件性能和可靠性的关键因素之一[5,6]。

在基于β-Ga₂O₃的MOS结构中，Al₂O₃被广泛用作高κ栅极介电材料和表面钝化氧化物，因为它具有优异的绝缘性能，并且与半导体器件加工过程兼容[[7], [8], [9]]。之前关于Al₂O₃/β-Ga₂O₃系统的研究主要集中在电学界面特性上，包括能带对齐、界面态、电荷俘获、泄漏行为以及电应力下的阈值电压不稳定性[[10], [11], [12]]。然而，除了电学作用外，栅极介电层/半导体界面还参与了器件工作区域附近的局部热扩散。在实际的栅极堆叠中，Al₂O₃通常以非晶态沉积，其局部键合无序和配位环境与晶体氧化物有显著差异[13,14]。这种结构无序会强烈影响界面键合和振动耦合，因此在分析a-Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面的热传输时必须予以适当考虑[15]。

β-Ga₂O₃异质结构中的界面热传输越来越受到关注，最近的测量表明，在器件相关结构中，a-Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面的热阻可以相当显著[16]。同时，非晶态Al₂O₃本身具有明显的局部结构无序，这体现在其径向分布函数（RDF）、原子密度函数（ADF）和配位特征上，而这种无序与其振动和热特性密切相关[14,17,18]。尽管长期以来一直使用经典的经验势来模拟非晶氧化铝，并且经常采用简化方法如声学失配模型和扩散失配模型来估算界面热传输，但这些方法在描述加工后的氧化物/半导体栅极堆叠的复杂局部环境方面能力有限[15,17]。相比之下，第一性原理计算虽然提供了更高的准确性，但由于需要进行大规模分子动力学（MD）模拟以确保界面热导率的计算，因此在计算上成本高昂。

为了克服这些限制，本研究采用基于PFD的深度势模型来研究a-Al₂O₃/β-Ga₂O₃栅极堆叠界面的热传输[[19], [20], [21]]。首先通过熔化-淬火工艺生成非晶态Al₂O₃结构，并使用密度分析、RDF分析和ADF分析对其进行评估。然后构建了三种代表性β-Ga₂O₃取向的异质界面，以研究方向依赖的ITC、温度响应和空位诱导的调制。本研究的新颖之处不在于使用DFT-ML势能-NEMD流程本身，而在于将Al₂O₃的非晶结构、β-Ga₂O₃的晶体各向异性以及缺陷引起的局部键合变化与栅极堆叠界面的热导率联系起来。在这种意义上，界面不仅仅被视为一个简单的热边界，而是一个结构无序且方向依赖的区域，在该区域内振动匹配和局部键合连续性共同调节热传输。所得到的ITC值进一步被纳入到器件级别的电热模型中，以评估其对β-Ga₂O₃功率器件热响应的相关性。

章节摘录

非晶态Al₂O₃模型的生成

非晶态Al₂O₃结构是通过随机初始化加熔化-淬火分子动力学程序生成的。图中标记为S1-S5的五个独立化学计量模型使用了不同的随机种子来减少对单一初始配置的依赖性。每个初始结构包含14个Al₂O₃配方单元，相当于28个Al原子和42个O原子。在随机构建过程中，平面内晶格参数在预定义的范围内选择。

a-Al₂O₃的结构特性

熔化-淬火生成的非晶态Al₂O₃模型的密度范围为3.16至3.41?g?cm^?3，五个独立生成的样品之间的变化有限。它们的局部结构进一步通过RDF和ADF分析进行了评估，如图3所示，并在表1中总结。

RDF曲线显示出明显的第一个邻居Al-O峰位于约1.83??处，以及位于约2.7和3.1??处的较宽的O-O和Al-Al相关峰。这些特征距离接近...

结论

总之，通过结合DFT计算、基于PFD的机器学习原子间势能和NEMD模拟，研究了非晶态Al₂O₃/β-Ga₂O₃栅极堆叠界面的热传输。熔化-淬火生成的非晶态Al₂O₃模型再现了非晶氧化铝的基本短程有序性和长程无序性，并为界面构建提供了结构上的验证基础。计算得到的ITC显示出明显的方向依赖性：(100)和(?201)取向的...

CRediT作者贡献声明

Hui Li：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，软件开发，方法学，研究，数据分析，概念化。Dongyuan Zhai：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据分析。Hongbiao Zhou：验证，软件开发，项目管理，资金获取。Lei Shi：验证，软件开发，研究，资金获取。Jiwu Lu：撰写 – 审阅与编辑，资源协调，项目管理，

伦理审批

不适用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

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