我中心杨兵老师和郑宏宇教授针对GaN基功率芯片关键结构的热输运，在Materials Today Physics发表了一篇题为“Thermal transport mechanism of AlN/SiG/3C-SiC typical heterostructures”的论文。了解大功率芯片中典型结构的传热机理对于具有更好工程传热性能的芯片设计至关重要。该篇论文通过分子动力学模拟系统地研究了氮化铝/硅掺杂石墨烯/碳化硅（AlN/SiG/3C-SiC）异质结构的界面热阻和面内热导率。研究表明，硅掺杂可以在8%的浓度下将界面热阻降低31.72%，这通过能量传输和热弛豫时间得到进一步验证。多种分析表明，硅掺杂导致3C-SiC和SiG之间的强相互作用增强，AlN和其他两种材料之间的弱相互作用由于SiG中褶皱的积累而下降，并且由于强相互作用的优势，最终促进了界面处0-18 THz的声子传输。此外，当硅掺杂浓度为8%时，面内热导率降低了11.24%。通过分析应力场，SiG和3C-SiC界面侧的两层原子对热阻负主要责任，而且，SiG导致面内热导率和硅掺杂浓度之间的指数依赖关系。结果还表明，界面热阻对随机掺杂位置敏感，而面内热导率则不敏感。我们相信这项工作的结果将对提高大功率芯片的热传输性能具有重要的指导意义。

图1 硅掺杂对异质结构热输运的影响及影响因素

        此外，杨兵老师和郑宏宇教授还研究了不同结晶度的石墨烯对氮化铝/石墨烯/碳化硅典型异质结构热输运的影响以及背后的物理机理。该研究表明，相比于单晶石墨烯，多晶石墨烯具有更好的界面热导。分析表明，晶界导致C-Si共价键的增加，然而，共价键进一步导致石墨烯内部部分碳原子的局部拉伸应变和褶皱。共价键的增加增强界面热导，局部拉伸降低界面热导，而褶皱则导致界面处范德华相互作用的波动。各种影响因素的综合作用导致界面热导增加。该工作于ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表了一篇题为“Thermal transport of AlN/Graphene/3C-SiC typical heterostructures with different crystallinity of graphene”的论文。

图2 多晶石墨烯对异质结构热输运的影响及影响因素