南京理工大学李强教授团队IJHMT:非均匀热源下GaN/衬底异质结构的热传输机制

随着宽禁带半导体器件向更高功率密度和更小尺寸发展，自热效应导致严重的局部热积累，热点问题已成为制约器件性能和可靠性的关键瓶颈。在典型的GaN高电子迁移率晶体管中，热量主要在栅极下方的沟道层内产生，并且大部分热量集中在宽度约100纳米、厚度仅1纳米的狭窄区域内。然而，现有关于异质结构热传输的研究通常假设热源均匀分布或采用等温边界条件，极少考虑非均匀加热条件的影响。此外，当热量从受限的热源区域向更大的衬底扩散时，会在结区附近产生显著的扩散热阻，成为限制热耗散的主导因素。传统的傅里叶热传导模型和灰介质近似弹道输运模型难以准确描述纳米尺度热源附近的复杂声子散射行为，导致对器件热特性的预测存在显著偏差。

研究内容

针对上述问题，南京理工大学李强教授团队建立了一种结合第一性原理计算与蒙特卡洛模拟的异质结构热传输模型。研究团队首先利用VASP、PHONOPY和thirdorder.py等工具计算了GaN、AlN、金刚石、SiC和Si五种材料的二阶和三阶力常数，然后通过almaBTE软件包获取完整的声子谱参数，包括声子群速度、弛豫时间和体积热容。在蒙特卡洛模拟中，团队采用基于偏差能量的方差缩减方法求解玻尔兹曼输运方程，并采用扩散失配模型描述声子界面散射。研究系统分析了异质结构高度、热源宽度和热源高度对GaN/AlN、GaN/金刚石、GaN/Si和GaN/SiC四种典型异质结构热传输特性的影响，并通过与宏观有限元方法的对比，揭示了传统方法在纳米尺度非均匀热生成条件下的局限性。

核心发现

研究发现非均匀热源对平均界面热导的影响较小，但当异质结构高度较小时会在热点区域附近诱导显著的空间非均匀性。当结构高度为10纳米时，大部分声子在异质界面处发生散射，仅留下约5纳米的空间进行横向热扩散，导致热量被限制在中心区域。随着结构高度增加，这种限制效应迅速减弱，当高度达到300纳米时，热量首先在热源附近快速横向扩散，然后以均匀方式垂直传递，大部分区域的横向扩散可以忽略不计。

图1 不同异质结构高度下非均匀热源与均匀热源的温度分布对比。左侧为均匀热源，右侧为非均匀热源。当结构高度较小时，非均匀热源产生的高温区域被限制在狭窄范围内，热扩散宽度仅约20纳米。

谱热导分析显示，在小高度条件下热传输主要依赖3-5 THz和15-23 THz两个声子频率范围，这是因为小尺寸下声子主要经历弹道输运，难以通过三声子散射实现能量重分配，使得体热流强烈受界面声子透射率影响。然而，随着结构高度增加，界面声子传输对体热传输的影响逐渐减弱，声子热输运越来越多地由材料的固有声子性质决定。与此同时，异质结构的总热阻随高度先减小后增大，在小高度时弹道声子输运主导、界面热导低而总热阻高，随着高度增加界面热阻影响减弱而体热阻成为主导，总热阻转而上升。

图2 异质结构高度和热源非均匀性对总热阻和平均界面热导的影响。总热阻随高度先减小后增大，而平均界面热导在小高度时较低随后快速饱和。非均匀热源对平均界面热导影响较小，但会显著增加总热阻。

更值得关注的是，随着热源非均匀性的增加，异质结构的总热阻显著升高，可达均匀加热条件下热阻的数倍之多。对比四种衬底材料发现，非均匀热源对GaN/AlN和GaN/SiC异质结构的影响更大，这是因为这两种界面具有更高的界面热导，高热导导致接触热阻在总热阻中占比更大，因而热源非均匀性带来的热阻变化也更明显。当热源宽度与异质结构宽度之比从1降至0.02时，蒙特卡洛模拟显示总热阻迅速上升，而传统有限元方法几乎无法反映这一变化。

图3 固定结构高度200纳米时，热源非均匀性对不同衬底GaN异质结构总热阻的影响。随着热源宽度比减小，热阻比急剧上升；随着热源高度减小，热阻比进一步增大，且热源宽度比的影响变得更强。

对比分析进一步表明，有限元方法在所有结构高度下都低估了异质结构的总热阻，主要原因是有限元方法假设纯扩散热传输，无法捕捉纳米尺度下的弹道声子输运，导致对体热传导和界面热传输的高估。此外，有限元方法计算显示热量均匀向外扩散，形成相对均匀的温度场，而蒙特卡洛计算则揭示了明显的局部热点，平均热源温度达307.0 K，远高于有限元方法预测的299.5 K。这些结果表明，当存在纳米尺度热源或结构时，传统的宏观有限元方法显著低估了总热阻，不适用于此类场景。

图4 蒙特卡洛方法与有限元方法的对比结果。当热源宽度比减小时，有限元方法几乎无法捕捉总热阻的显著上升，而蒙特卡洛方法准确反映了非均匀热源导致的数倍增大的热阻。

结论与应用价值

本研究通过建立结合第一性原理计算与蒙特卡洛模拟的热传输模型，系统揭示了非均匀热源条件下GaN/衬底异质结构的热传输机制。研究结果表明，非均匀热源对平均界面热导影响较小，但会在小高度结构中产生显著的局部界面热导空间非均匀性，同时显著增加总热阻，可达均匀加热的数倍。异质结构的总热阻随高度先减小后增大，在小高度时弹道声子输运主导，界面热导低而总热阻高；随着高度增加，界面热阻影响减弱而体热阻成为主导。更为重要的是，传统有限元方法因无法捕捉非均匀热源和纳米尺度效应，严重低估了异质结构的总热阻。这些发现为宽禁带半导体器件的热设计和可靠性评估提供了重要的理论指导，有助于工程师更准确地进行器件热特性预测和热管理策略优化。

论文信息：Yin E, Luo W, Wang L, Sun E, Li Q. Thermal transport of GaN/substrate heterostructures under non-uniform heat source. International Journal of Thermal Sciences, 2026, 224: 110669. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2026.110669