南京航空航天大学、湖南大学、新加坡国立大学余林凤Advanced Science：GaN/BAs界面热输运：原子级工程实现超高界面热导

转自 智能热管理

通讯作者：
Sunmi Shin — 新加坡国立大学；Email：mpeshin@nus.edu.sg
Zhuhua Zhang — 南京航空航天大学；Email：chuwazhang@nuaa.edu.cn
Guangzhao Qin — 湖南大学；Email：gzqin@hnu.edu.cn

第一作者：Linfeng Yu — 南京航空航天大学、湖南大学、新加坡国立大学          
其他作者：Hongkai Zhang、Haofeng Qin、Yi Zhang、Jinyuan Xu、Yiming Zhao、Dongliang Ding、Jianbin Xu

摘要

氮化镓（GaN）与超高热导率砷化硼（BAs）衬底集成，为高功率电子器件散热提供了新路径，但界面热阻制约了其性能发挥。本研究结合第一性原理、机器学习势分子动力学与有限元模拟，提出以原子级界面结构均匀性提升热输运的设计策略。计算表明，采用AlN过渡层可将有效界面热导提高至约700 MW·m⁻²·K⁻¹，理想As-N相干界面则可达到约2000 MW·m⁻²·K⁻¹，约为已报道Al₂O₃过渡层界面实验值的8倍。研究揭示，在所考察的GaN/BAs界面中，界面成键环境与两侧体相的协调程度，比单纯增强局部化学键更能解释热输运差异。

文章概况

一、研究背景：高热导衬底仍需突破界面瓶颈

GaN器件广泛面向5G通信与汽车功率电子等领域，局部热量积聚对器件性能和可靠性提出严峻挑战。BAs热导率可达约1300 W·m⁻¹·K⁻¹，是极具潜力的散热衬底，但热量能否顺利从GaN进入BAs，仍取决于界面传热能力。已有实验采用Al₂O₃过渡层实现GaN/BAs集成，界面热导约为250 MW·m⁻²·K⁻¹（Nature Electronics 4,416,2021）。如何通过原子结构设计进一步降低界面热阻，是释放BAs散热潜力的关键。

图1. GaN/BAs界面热输运研究背景、器件散热示意及不同界面的温度分布。

二、研究方法：从原子成键连接到器件散热

研究构建了第一性原理、机器学习势、分子动力学以及有限元的多尺度计算框架。首先利用第一性原理数据训练神经演化势（NEP），再通过非平衡分子动力学计算界面热导，最后将所得参数引入有限元模型，评估整体传热表现。围绕过渡层界面与直接相干界面两条路线，该框架将原子成键、声子输运与器件尺度热响应联系起来，为界面设计提供定量依据。

图2. 多尺度计算流程、两类界面结构及机器学习势构建方法。

三、实验基准：复现Al₂O₃过渡层界面热导

为检验模型可靠性，研究按照已有实验构建了含约2 nm Al₂O₃过渡层的GaN/Al₂O₃/BAs结构。模拟得到室温有效界面热导约为248 MW·m⁻²·K⁻¹，与实验值约250 MW·m⁻²·K⁻¹接近。进一步的温度与尺寸分析，以及组分材料热导率对比，为后续界面优化预测提供了计算基础。

图3. Al₂O₃过渡层模型的温度分布、界面热导及组分材料热导率验证。

四、过渡层优化：AlN构建更匹配的声子传热桥梁

Al₂O₃虽有利于异质集成，但其较低的热导率及与两侧材料的振动特性差异，限制了整体传热。研究以AlN替代Al₂O₃，在相同过渡层厚度下，预测有效界面热导可提高至约700 MW·m⁻²·K⁻¹，约为Al₂O₃方案的2.8倍。声子色散、态密度与散射特性分析表明，AlN与GaN、BAs具有更好的振动匹配，有利于减少声子反射和散射，提升跨界面热输运。

图4. AlN与Al₂O₃过渡层的界面热导及声子输运特性对比。

五、突破发现：界面成键协调比局部最强键更关键

研究进一步设计了As-N、B-Ga、B-N和As-Ga四种直接成键界面。其中，理想As-N共格界面的热导最高，约为2000 MW·m⁻²·K⁻¹。值得关注的是，B-N键最短，电子结构分析也显示其成键最强，但对应界面热导并非最高。这说明，仅凭局部键强难以判断界面传热能力。

为解释这一差异，研究引入键长相对偏差参数δL，衡量界面与两侧体相成键环境的协调程度。结合成键分析发现，As–N界面的键长与键强更好地衔接两侧体相，有利于形成连续的声子传输路径。这为GaN/BAs界面设计提供了新的理论依据。

图5. 四种共格界面的结构、热导、键长分布及结构均匀性机制。

六、多尺度验证：界面优化加快整体热响应

有限元模拟表明，界面热导提升能够转化为整体传热性能改善，且这一作用在亚微米尺度尤为显著。随着体系尺寸增大，体相热阻的影响逐渐增强，界面热导带来的优势相应减弱。在约400 nm尺度的简化散热结构中，共格界面表现出更快的热传递与热响应，建立了原子结构优化与器件尺度散热表现之间的联系。

图6. 不同界面的温度分布、有效热导率及瞬态热响应对比。

总结与展望

本研究提出了以原子级结构均匀性调控GaN/BAs界面热输运的策略，揭示了局部键强之外的关键影响因素。AlN过渡层与As-N相干界面的计算结果，为高功率GaN器件的界面设计提供了候选方案。未来，高质量界面的可控制备及其热输运实验验证，将是推动这一策略走向应用的重要环节。

论文信息

Yu, L., Zhang, H., Qin, H., et al. Ultrahigh Interfacial Thermal Conductance across GaN/BAs Interfaces via Atomic-Level Engineering.Advanced Science, 2026, e77516.          
DOI：10.1002/advs.77516