【会员论文】MSSP | 镓仁&华润微中央研究院：氧化镓单晶生长所需热物性的神经进化势精准预测

        杭州镓仁半导体有限公司联合华润微电子中央研究院及浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室的研究人员合作，在Materials Science in Semiconductor Processing发表研究论文《Neuroevolution potential enabled accurate prediction of thermophysical properties for high-temperature Ga₂O₃ melt》（神经进化势助力高温氧化镓熔体热物性参数精准预测）。研究团队基于密度泛函理论数据训练神经进化势能，并结合分子动力学模拟，评估了高温氧化镓熔体的多项热物性，为氧化镓熔体生长过程的数值模拟提供了数据参考。

        β-Ga₂O₃具有约4.8 eV的超宽禁带和较高的临界击穿电场，是高压功率电子器件的重要候选材料。器件发展需要高质量、大尺寸的单晶衬底，而这类衬底主要通过铸造法、导模法、垂直布里奇曼法等熔体生长方法制备。上述晶体生长方法的工艺优化，有赖于数值模拟对生长炉中的传热、熔体流动和固液界面稳定性的耦合分析，其可靠性很大程度上取决于熔体热物性参数是否准确。然而，Ga₂O₃熔点约为2066 K，在如此高温下测量熔体性质困难，尤其是热导率及表面张力随温度变化的数据仍不可知。因此，借助原子尺度模拟获取这些关键参数成为重要途径。第一性原理分子动力学虽具有较高精度，但受计算规模和时间限制，难以直接用于高温熔体的大尺度、长时间模拟。本研究训练基于密度泛函理论数据的神经进化势能，在保持原子尺度计算依据的同时扩展模拟规模，以估算高温熔体关键参数并与已有实验数据进行比较。

        研究团队构建了一个以密度泛函理论计算结果为基础的神经进化势能模型，并采用主动学习扩充训练数据集，最终纳入3876个结构。模型对能量和应力的预测误差经过训练集和测试集评估；进一步将神经进化势能分子动力学得到的径向分布函数和角分布函数与第一性原理分子动力学结果比较，检验模型对熔体局域原子结构的再现能力。在此基础上，团队系统计算了熔体的热导率、表面张力及其温度系数、密度、等压热膨胀系数，以及剪切和纵向黏度。

        这套结果为熔体生长模拟补充了重要参数，同时也显示黏度等输运性质的计算仍需进一步验证和改进。

        ① 将神经进化势用于高温Ga₂O₃熔体的大规模原子模拟：模型由密度泛函理论数据训练，并通过主动学习扩充结构数据；研究以能量和力学误差及与第一性原理分子动力学的结构对比检验模型表现。

        ② 为实验测量困难的熔体参数提供首批模拟估算：论文首次报告了Ga₂O₃熔体热导率和表面张力温度系数的计算估算，为生长模拟提供可用的参数参考。

        ③ 在同一框架下系统评估多类热物性：研究覆盖热导率、表面张力、密度、等压热膨胀系数及剪切和纵向黏度，并将可比结果与已有实验数据对照。

        ④ 对关键计算结果进行独立方法交叉核验：热导率分别通过Green–Kubo平衡分子动力学与HNEMD计算，两种方法得到接近的估算值；同时论文也如实报告了黏度与已有实验结果之间的差异。

        本研究建立并验证了适用于高温Ga₂O₃熔体模拟的神经进化势能模型，给出了热导率和表面张力温度系数的首次模拟估算，并系统评估了密度、等压热膨胀系数及黏度等参数。相关数据可作为β-Ga₂O₃熔体生长传热、熔体流动和生长动力学模拟的参考。由于部分输运性质与实验数据仍存在差异，后续仍需结合更完善的势函数、更多高温实验测量及生长过程验证，逐步提高模拟参数的可靠性。

        本研究得到浙江省“尖兵”“领雁”研发计划（2023C01193）、国家自然科学基金（52202150、22205203、62574179）、中央高校基础研究资金（226-2022-00200、226-2022-00250）、国家自然科学基金创新研究群体项目（61721005）、国家博士后创新人才支持计划（BX20220264）、国家高层次青年人才支持计划、浙江省自然科学基金（LJXSZ26A040002）以及浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室开放基金（SKL2026-07）的支持。

图 1. 神经进化势能模型的训练与测试结果。(a) 能量、受力均方根误差随训练代数的变化；(b–d) 分别为训练集和测试集中模型预测值与密度泛函理论参考值的能量、受力对比图。

图 2. 2066 K下Ga₂O₃熔体的原子结构表征。(a) 总径向分布函数；(b) Ga–O、O–O和 Ga–Ga原子对的分波径向分布函数；(c) 第一性原理分子动力学（AIMD，实线）与神经进化势能分子动力学（NEP，虚线）得到的Ga–O 角分布函数（ADF）对比。

图 3. 2066 K下Ga₂O₃熔体的Onsager修正运行热导率随关联时间的变化。灰线表示50条独立模拟轨迹，彩色曲线表示轨迹集合平均结果。

图 4. Ga₂O₃熔体表面张力的计算。(a) 用于表面张力计算的液膜模型示意图；(b) 表面张力随温度的变化。黄色五角星表示静电悬浮实验结果。

图 5. Ga₂O₃熔体密度与等压热膨胀系数。(a) 密度随温度的变化；(b) 2066 K下本研究计算密度与文献实验值的比较；(c) 本研究计算的等压热膨胀系数与文献数据的比较。

图 6. 2066 K下Ga₂O₃熔体黏度的运行值随时间变化。(a) 剪切黏度；(b) 纵向黏度。灰线表示独立模拟轨迹，彩色曲线表示轨迹集合平均结果。

DOI：

10.1016/j.mssp.2026.111304