随着半导体器件性能越来越高，尤其是尺寸微型化及高功率密度的发展，散热成为制约半导体器件稳定性、可靠性、寿命等的技术瓶颈之一。特别对于纳米尺度半导体器件，增加界面导热是提升散热性能中关键一环。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，对于半导体器件中的界面（半导体-半导体或金属-半导体），传统的扩散失配模型（DMM）认为界面处声子输运是弹性过程，即声子穿过界面能量不发生变化。由于声子在德拜温度下被全部激发，因此在高温下（即温度高于德拜温度），声子穿过界面能量不再随温度变化，其界面热导呈现饱和趋势。然而相对于理论模型，提高界面热导的条件在实验上仍然存在不足。

针对上述问题，清华大学深圳国际研究生院孙波团队与上海交通大学顾骁坤团队、北京大学王新强团队合作，试图探索提高界面热导的条件。团队利用分子束外延（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1nm互扩散层的两个Al/Si界面。采用时域热反射法（TDTR）精确测量了不同温度下的界面热导。发现粗糙界面的热导在高温下趋于饱和，符合传统的扩散失配模型；而平整界面的热导在高温下随温度升高，与传统理论背离，并且在平整Al/GaN界面上也观察到了类似的现象。理论计算表明，平整界面的热导随温度升高而升高是由于声子在界面处发生了非弹性输运过程。在平整界面处，声子的透射能力表现出更强的频率相关性，使得声子非平衡在该界面更显著，促进了声子间的非弹性转化，从而使得界面热导在高温下展现出更强的温度相关性。该研究发现了在原子级平整的Al/Si、Al/GaN界面处的声子非弹性输运过程，而该过程被视为界面处额外的声子输运通道，可提高界面热导，从而提升界面的散热性能。该研究解决了长久以来对界面声子非弹性作用机理的争论，并对半导体器件中的热管理具有指导意义。

图1.（a）平整的Al/Si界面；（b）带有1 nm互扩散层的Al/Si界面

图2.（a）Al/Si的界面热导。Sample1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428K）随温度升高而升高，背离传统的扩散失配模型；Sample2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/Sample1，偏离扩散失配模型

相关成果近日以“原子级平整界面处声子非弹性输运”（Inelastic phonon transport across atomically sharp metal/semiconductor interfaces）为题，在线发表在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。

本论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2020级博士生李沁书，北京大学博雅博士后刘放、上海交通大学2019级博士生胡松、清华大学深圳国际研究生院2015级博士生宋厚甫为共同第一作者。清华大学深圳国际研究生院孙波副教授、上海交通大学顾骁坤副教授和北京大学王新强教授为该论文共同通讯作者。论文共同作者还包括清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、伯克利加州大学吴军桥教授等。

该研究工作得到了国家自然科学基金委项目、深圳市优秀青年基金、北京市卓越青年科学家等项目的支持。