论文分享
【会员论文】武大、云大、厦大等联合突破：揭示铝镓氧合金薄膜声子输运机制，助力大功率电子器件散热升级
日期：2026-02-11阅读：142
研究背景
随着新能源、5G通信等领域的快速发展，大功率电子器件对性能的要求持续攀升。作为超宽禁带半导体的核心代表，β-(AlxGa1-x)2O3（AGO）合金因可调带隙、高击穿场强及高电子迁移率等优势，在大功率开关、深紫外探测器等器件中展现出变革性应用潜力。然而，AGO基器件在高功率运行时面临严重的过热难题。其基底材料热导率偏低，且合金化引发的结构无序导致声子输运机制不明，极大限制了器件的长期稳定性和可靠性。如何精准调控AGO合金的热输运特性，实现“高性能”与“强散热”的协同，已成为制约其产业化应用的关键瓶颈。
研究内容
针对这一难题，武汉大学、云南大学、厦门大学等单位的研究团队联合攻关，采用“机器学习+多尺度实验”的创新研究框架，系统揭示了AGO合金薄膜中频率依赖的声子输运原子尺度机制。
研究团队首先通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备了不同Al含量（x=0至0.5）和不同厚度的AGO外延薄膜，利用纳秒瞬态热反射（TTR）、拉曼光谱、X 射线衍射（XRD）等技术完成热性能与结构表征，并结合神经进化势分子动力学（NEP-MD）模拟构建了百万原子数的无序合金模型，实现了理论与实验的精准对接。
研究首先揭示了AGO薄膜热导率的两阶段非线性变化规律：AGO 合金的热导率随Al含量增加呈现特征性下降：当Al含量从0增至0.1时，低频率声子（0-10 THz）的热输运贡献被抑制76%，导致热导率从7 W·m-1·K-1 急剧下降43%至4 W·m-1·K-1；而当Al含量从0.1增至0.5时，中频率声子（10-15 THz）的态密度（PDOS）补偿效应凸显，热导率仅缓慢下降18%至3.3 W·m-1·K-1，有效缓解了热传输恶化。进一步通过Callaway-VCA模型拟合与晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析，证实应变场散射是声子输运的主要抑制因素，占比超过60%。这一现象源于 Al-O与Ga-O 的键长不匹配（Al-O≈1.8 Å，Ga-O≈2.0 Å）引发的晶格畸变，其影响远大于Al与Ga的质量缺陷散射（原子质量差异 61%）。
图1 （a）采用785-TTR测量的Al/(AlxGa1-x)2O3/Al2O3样品示意图,（b）(AlxGa1-x)2O3薄膜热导率。
图2 (AlxGa1-x)2O3薄膜的频谱热导率和声子态密度
图3 (AlxGa1-x)2O3的电子局域化函数和晶体轨道哈密顿布居分析
图4 (AlxGa1-x)2O3中的（a）合金散射因子，（b）不同Al浓度下的声子散射分析
本研究同时证实了界面热导的稳定性，AGO/Al2O3界面的界面热导在Al含量 x>0.1 后展现出极强的稳定性，变化幅度小于10%。这一特性源于Al合金化引发的声子态密度重分布，如图xx所示，中高频段（10-15 THz、20-25 THz）声子PDOS 增强补偿了低频频段的抑制，使界面声子能量传输效率保持稳定。
图5 （a）(AlxGa1-x)2O3/Al2O3界面热导与Al浓度的依赖关系，黑色空星表示本研究的补充测量结果，其Al成分浓度与最近的黑色球体测量值一致；（b）(AlxGa1-x)2O3/Al2O3频谱界面热导和声子态密度
结论与展望
该研究首次通过声子输运频域分解与原子尺度分析，厘清了AGO合金中“低频声子抑制-中高频声子补偿”的独特输运机制，量化了应变场散射的主导作用，为声子工程提供了明确靶点。研究成果不仅解决了无序合金热传输建模的技术难题，更为AGO基器件的结构设计提供了关键参数支撑——通过调控Al含量和界面结构，可实现“带隙拓宽、热导率可控、散热通道稳定”的电热协同优化。
论文信息
Xinglin Xiao, Rongkun Chen, Xiangyu Xu, Xiaolong Li, Guoliang Ma, Yali Mao, Yuan Li, Xing Hu, Haoyang Peng, Jianing Liang, Shujuan Liu*, Kelvin H.L. Zhang*, Shiqian Hu*, Chao Yuan*. Probing atomic-scale origins of frequency-dependent phonon transport in aluminum gallium oxide ternary alloy films. Materials Today Physics, 2026, 60, 101994.
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101994
肖兴林和陈荣坤为共同第一作者；厦门大学张洪良教授、云南大学胡世谦教授和武汉大学袁超研究员为通讯作者。
