[论文解读] Atomic-Scale Probing of Heterointerface Phonon Bridges in Nitride Semiconductor

Yuehui Li, Ruishi Qi+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2021

Thermal properties of materials参考文献 57被引用 64

一句话总结

本研究利用扫描透射电子显微镜中的原子分辨振动电子能量损失谱（EELS），探测AlN/Si和AlN/Al异质界面处的界面声子模式。在AlN/Si界面识别出延伸模式和界面声子模式，这些模式作为声子桥，显著增强非弹性声子输运和界面热导率（ITC）；而在AlN/Al界面，此类桥接模式缺失，主导热导率的是部分延伸模式。

ABSTRACT

Interface phonon modes that are generated by several atomic layers at the heterointerface play a major role in the interface thermal conductance for nanoscale high-power devices such as nitride-based high-electron-mobility transistors and light emitting diodes. Here we measure the local phonon spectra across AlN/Si and AlN/Al interfaces using atomically resolved vibrational electron energy-loss spectroscopy in a scanning transmission electron microscope. At the AlN/Si interface, we observe various localized phonon modes, of which the extended and interfacial modes act as bridges to connect the bulk AlN modes and bulk Si modes, and are expected to boost the inelastic phonon transport thus substantially contribute to interface thermal conductance. In comparison, no such phonon bridge is observed at the AlN/Al interface, for which partially extended modes dominate the interface thermal conductivity. This work provides valuable insights into understanding the interfacial thermal transport in nitride semiconductors and useful guidance for thermal management via interface engineering.

研究动机与目标

• 理解控制氮化物半导体异质结构界面热导率（ITC）的原子尺度声子模式。
• 识别AlN/Si和AlN/Al界面处占主导地位的声子模式类型——延伸、部分延伸、界面或孤立模式。
• 将特定界面声子模式与其对ITC的贡献相关联，特别关注体相声子模式之间的桥接机制。
• 为理论预测的声子桥形成及其对热输运的影响提供实验验证。

提出的方法

• 采用非对称几何设置的扫描透射电子显微镜（STEM）中的原子分辨振动电子能量损失谱（EELS），以提高空间和能量分辨率。
• 使用单色电子显微镜（Nion U-HERMES200），能量分辨率达7.5 meV，空间分辨率达0.125–0.166 nm，以绘制局部声子谱。
• 应用先进数据处理方法：采用改进的Pearson-VII函数进行背景扣除，使用Lucy-Richardson反卷积，以及BM3D去噪技术，以提高信噪比。
• 采用分子动力学（MD）模拟，使用Stillinger-Weber势函数和Dynaphopy软件计算声子色散关系并进行模式分类。
• 基于特征向量局域化，将声子模式分为四类：延伸、部分延伸、孤立和界面模式。
• 对MD数据应用界面导热模态分析（ICMA），利用公式 𝐺_𝑛 = (1/(𝑘_𝐵𝐴𝑇²)) ∫〈𝐽_𝑛(𝑡)𝐽(0)〉𝑑𝑡 计算各模态对ITC的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原子尺度上，AlN/Si和AlN/Al异质界面处存在哪些类型的界面声子模式？
• RQ2 哪些声子模式——延伸、界面或部分延伸——作为桥梁，增强界面处的非弹性声子输运？
• RQ3 不同声子模式对AlN/Si和AlN/Al界面处界面热导率（ITC）的相对贡献有何差异？
• RQ4 与部分延伸模式相比，延伸模式和界面模式对ITC的贡献程度如何？该结果是否与MD模拟预测一致？
• RQ5 实验EELS数据能否证实声子桥的存在及其在增强氮化物半导体界面热导率中的作用？

主要发现

• 在AlN/Si界面，连接体相AlN和体相Si声子模式的延伸声子模式作为有效桥梁，显著增强非弹性声子输运。
• AlN/Si界面处的界面声子模式促进Si的横声（TA）模式穿透进入AlN层，进一步增强桥接效应。
• 在AlN/Al界面未观察到此类声子桥，部分延伸模式主导了热导率。
• 基于MD模拟，延伸模式对ITC的贡献估计是部分延伸模式的2–3倍。
• 由于存在桥接声子模式，预测AlN/Si界面的ITC显著高于AlN/Al界面。
• 实验EELS数据证实了这些模式的局域化特征和能量分布，验证了关于界面声子介导热输运的理论预测。