从表面粗糙度到中间层工程：调控GaN/金刚石异质结的界面热导

《CARBON》：From surface roughness to interlayer engineering: Regulating interfacial thermal conductance in GaN/Diamond heterostructures

　　

摘要

对于高功率氮化镓（GaN）电子设备，高效的散热策略至关重要。金刚石在块体材料中具有最高的热导率，被视为高功率芯片的理想散热基底。然而，GaN/金刚石异质结中的界面热传导机制尚未被完全阐明。本研究利用非平衡分子动力学（NEMD）模拟，调查了表面粗糙度对界面热导（ITC）的影响。结果表明，ITC总体随均方根（RMS）粗糙度的增加而降低，而与接触原子数呈正相关关系。声子态密度（PDOS）分析表明，PDOS重叠与ITC之间不存在严格的单调关系，这表明传统的描述符如RMS和声子匹配不足以充分描述GaN/金刚石系统中的ITC。为克服这一局限性，在GaN和金刚石之间引入了石墨中间层，以在共格界面处实现共价键合。结果表明，石墨层有效缓解了声子不匹配并增强了振动耦合，使得ITC值比原始界面高出近两个数量级。这些发现可为高功率芯片与散热基底之间的界面设计提供指导。

引言

随着电子工业的快速发展，5G通信、人工智能和汽车行业对高功率芯片的集成度和微型化提出了越来越高的要求[1]。在性能持续追求下，芯片制造工艺不断突破[2]。手机和计算机所用芯片的制程节点已从十年前的11 nm大幅发展至目前的2 nm[3]、[4]。虽然集成晶体管密度的增加使芯片性能得以提升，但芯片内部的热流密度也显著上升，散热成为关键挑战。因此，亟需开发高功率芯片的有效散热策略[5]。金刚石在室温下具有所有已知块体材料中最高的热导率（超过2000 W·m^-1·K^-1），远超当前散热基底的基准材料铜[6]、[7]。因此，金刚石是高功率芯片的理想散热基底。界面热阻往往是限制芯片-金刚石基底系统整体散热性能的首要因素。当两个表面接触时，表面粗糙度（RMS）对界面热导（ITC）有关键影响。随着RMS从原子尺度增加到100 nm，ITC跃升了两个数量级[8]。

现代技术已使金刚石在从微米到原子尺度的整个范围内实现RMS控制成为可能[9]。金刚石的各向异性在决定抛光质量方面起着关键作用[10]、[11]。经过多年研究，单晶金刚石表面粗糙度已被降至原子级别（RMS=0.2 nm，表征面积1 μm²）[12]。当其用作热界面基底时，可形成近乎理想的物理接触界面，从而实现直接接触散热。近期研究进一步表明，对金刚石相关材料进行合理的结构工程化可提供额外的热性能改善[13]、[14]。Jagannadham等人[15]将多层金刚石散热片基底键合至Si和GaAs器件晶圆上以增强散热能力。在GaN功率器件中，Sang等人[16]构建了GaN-on-Diamond结构，利用金刚石作为热扩散层，显著降低器件结温并提高功率密度。在实际器件结构中，热量从器件材料传递到金刚石散热基底时必须经过界面区域。表面粗糙度、原子接触状态和局部结构缺陷都会对界面热传递产生显著影响[17]、[18]。然而，在实验条件下，这些因素往往难以在原子尺度上进行定量分析[19]、[20]。因此，原子尺度模拟对于阐明界面热输运机制具有重要意义[21]、[22]。

本研究采用分子动力学（MD）模拟研究GaN/金刚石界面的热输运行为，重点分析RMS和界面接触条件对ITC的影响。通过建立具有可调三维正弦粗糙度结构的GaN/金刚石直接接触模型，计算不同粗糙度形貌界面的温度分布和ITC。同时，将结果与PDOS分析相结合，阐明界面热输运机制。此外，鉴于实际制造中实现超低粗糙度界面的困难，开发了一种包含石墨过渡层的共格界面模型。然后系统研究了界面化学键重构对GaN/金刚石界面热输运性质的影响。研究结果可作为金刚石散热基底界面结构优化和热管理设计的参考。

章节摘要

方法

本研究建立的基础模型尺寸为60 ? × 60 ? × 200 ?，由立方金刚石和六方GaN组成（见图1(a)）。RMS和PDOS计算使用Python/MATLAB程序完成，其余MD模拟使用开源软件LAMMPS进行。

势函数对界面热输运模拟有显著影响。Tersoff势在描述C–C共价键和Ga–N–C多体作用方面具有较高的准确性

温度分布与维度验证

为避免初始接触状态的影响，在弛豫后对界面进行了适度的接触优化。结果表明，加载前后接触层结构没有显著变化，确保了后续热输运计算的稳定性。为细化每个区段的温度统计，将模型中金刚石部分（Z<110 ?）和GaN部分（z>110 ?）分别划分为6层和5层进行温度

结论

基于非平衡分子动力学模拟，本研究系统研究了GaN/金刚石界面的热输运行为，重点分析RMS、PDOS重叠和NCA对ITC的影响，并进一步探讨界面耦合结构（特别是石墨桥接的GaN/金刚石共格界面）调控热输运性能的机制。主要结论如下：

• 1.
  GaN/金刚石模型的界面热导（ITC）与

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Yining Ou：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、方法学、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。Xiang Luo：撰写—审阅与编辑、可视化、形式化分析、数据整理、概念构思。Ning Hu：撰写—审阅与编辑、指导、资源、项目管理、资金获取。Bo Yang：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、指导、软件，

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作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

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致谢

本研究由国家自然科学基金（12102121）、河北省教育厅科学研究项目（JZX2024007）、河北省自然科学基金（A2024202009）、重庆市自然科学基金（CSTB2025NSCQ?GPX1329）、河北燕赵黄金平台人才聚集计划骨干人才项目（博士后平台）资助项目（B2025005009）和河北工业大学创新研究院专项基金支持。

Yining Ou|Xiang Luo|Ning Hu|Bo Yang