6月16日，同济大学物理学院声子学中心陈杰教授团队在《Nanotechnology》期刊发表题为“Multi-Channel Thermal Transport Mechanisms in High-Power GaN-Based Micro/Nano-devices”的综述文章。该综述面向高功率氮化镓(GaN)基微/纳器件中的热输运与热管理问题，系统梳理了非平衡热产生过程、热电子/热声子动力学、界面热输运、尺寸效应、表面声子极化激元(SPhP)辅助热输运以及先进器件级散热策略等方面的最新实验与理论研究进展，构建了从微观载流子动力学到器件级热耗散设计的多通道热输运物理图像。
研究背景
GaN作为典型第三代宽禁带半导体材料，具有宽禁带、高击穿电场、高电子迁移率和强热稳定性等优势，是高频射频器件和高功率电子器件的重要材料体系。特别是在高电子迁移率晶体管(HEMTs)中，AlGaN/GaN界面处形成的二维电子气(2DEG)能够支持高载流子密度和高功率密度，使其在射频通信、5G/6G基站功率放大器、雷达系统和极端环境电子器件领域展现出重要应用前景。
然而，随着器件尺寸持续缩小、功率密度不断提高，GaN基器件中的热量往往集中产生于栅极漏侧附近，导致纳米尺度局域热点并引发严重自热效应，极大限制了器件的输出功率、稳定性和工作寿命。
传统热管理策略多依赖高导热衬底和宏观散热结构，但当器件特征尺度接近声子平均自由程时，经典傅里叶热传导模型难以准确描述实际热输运过程。此时，热耗散受到热电子弛豫、热声子瓶颈、声子弹道/准弹道输运、界面非弹性散射和尺寸效应等多种机制共同影响。因此，深入理解高功率GaN基器件中的热耗散问题，需要从单一热阻分析转向多通道、多尺度和多物理机制耦合的综合视角。
综述主线与核心内容
该综述以“热生成—输运瓶颈—器件级散热”为主线，系统总结了高功率GaN基微/纳器件中热量从产生、传递到最终耗散的全过程。不同于侧重单一机制或单一热管理方案的现有综述文献，本文强调GaN基器件中的热耗散并非由单个孤立过程决定，而是由非平衡载流子动力学、界面声子输运、尺寸效应以及器件结构设计共同支配。
图1以典型AlGaN/GaN HEMT异质结构为对象，展示了全文的整体思路。该图将局域热生成、尺寸受限输运和界面热阻等机制映射到器件堆栈中的具体空间位置。近结区二维电子气通道中的强电场首先诱发局域热点，热量随后在受限外延层中传播，并最终跨越多层异质界面向衬底耗散。
图1：AlGaN/GaN HEMT异质结构示意图，其中包含局部热源和多尺度热传输机制。二维电子气(2DEG)沟道位于AlGaN/GaN界面的GaN侧，是电子电流的主要路径。峰值电场集中在栅极漏极侧边缘，从而在该纳米沟道内形成高度局域化的焦耳热区(Hotspot)。红色箭头指示主要的向下散热路径，强调了点源热源特性带来的严格热扩散限制。左右两侧的插图将不同的微观传输机制映射到器件堆叠中的特定区域。
围绕近结区热源的形成过程，本文进一步展示了实验测量和多尺度模拟的典型证据。如图2(a-b)所示，热生成并非均匀分布，而是高度集中于沟道附近的局部热点区域；同时，纵向光学(LO)声子与横向光学(TO)声子的温升差异表明能量优先注入LO声子通道，从而形成显著的模态非平衡。图2(c-f)展示了优化后的场板结构可以通过调控横向电场分布重塑焦耳热功率密度，从而扩展热点区域并降低局部峰值温升。这表明，电场工程不仅影响器件电学特性，也是调控近结区热源分布的重要手段。
图2：GaN HEMT中局域非平衡热产生的实验和模拟证据。(a) GaN衬底内部热产生率的横截面分布。(b)通过尖端增强拉曼光谱测量的LO和TO声子模式的等效温升随激光功率的变化。(c)-(d) HEMT沟道区域中焦耳热功率密度分布的比较。(e)-(f)沿沟道的横向热产生率分布与横向电场分布的比较。
热量离开近结区后，异质界面成为限制热扩散的关键因素。图3集中展示了界面处缺陷、无序结构和局域振动态对热输运的影响。对于GaN/diamond等异质界面，空位缺陷、界面无序和声子谱失配会显著影响界面热阻。此外，界面声子模式可以在两侧材料的声子谱之间起到“桥接”作用，为非弹性输运打开额外通道。界面热阻虽然已被广泛认为是GaN基器件中的关键热瓶颈，但如何通过实验表征与理论分析区分弹性透射、非简谐模式转换、缺陷辅助输运和
图3：(a) GaN/diamond界面结构，其亚表面层中存在随机分布的空位缺陷。(b)计算得到的界面热阻(ITR)随空位浓度的变化，显示其单调递增，在缺陷密度为30% 时达到67%。(c)具有锯齿形边缘取向的GaN/ZnO界面的非平衡分子动力学(NEMD)设置示意图。(d)计算得到的300 K下不同原子层的态密度(PDOS)。圆圈标记了界面声子模式的出现。(e)采用不同方法获得的GaN/ZnO界面热导(ITC)随温度的变化。
除传统界面热输运外，综述还讨论了SPhP作为潜在辅助输运通道的可能性。如图4所示，SPhP可在极性材料表面沿面内方向传播，也可通过纳米间隙中的近场耦合实现跨平面能量隧穿，从而为受限结构中的热耗散提供额外路径。对于GaN，纳米多孔结构能够激活并拓宽高波矢近场传输通道，显示出其在近场热管理中的潜在价值。不过，综述同时也指出，GaN中的SPhP辅助热输运目前仍主要依赖理论分析和材料类比，器件层级的直接实验证据仍然缺乏，因此应将其视为有前景的补充机制，而不是已经成熟的散热通道。
图4：(a)各研究材料的SPhP辐射热导与品质因数的关系图。(b)极化子介导的面内传播和面外近场能量隧穿的概念示意图。(c)不同孔隙率(f = 0, 0.1, 0.5)的纳米多孔GaN薄膜在d = 10 nm时的近场辐射换热在(ω, β/k₀)空间中的透射分布图。
在器件层面，图5进一步展示了如何将上述微观热输运机制应用到实际热管理方案设计中。例如，GaN-on-diamond 异质集成通过利用金刚石高热导率降低衬底侧扩展热阻；嵌入式微流道冷却则通过将冷却液引入近结区，显著缩短热点到冷却介质之间的传热路径。基于已有研究的数据，本文进一步归纳了场板优化、界面工程、衬底选择和嵌入式冷却等策略的定量热收益，为不同热管理方案的适用场景提供了可迁移的设计参考。
图5：通过异质氮化镓/金刚石集成和嵌入式微流体冷却技术，实现高功率氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的器件级散热解决方案。(a)在2英寸多晶金刚石(PCD)晶圆上转移AlGaN/GaN/3C-SiC层并制备GaN HEMT的工艺流程。(b)通过提取不同衬底(Si/SiC/PCD/单晶金刚石(SCD))上的热阻进行器件级散热验证。(c)系统级器件（左上）、四分之一对称器件（左下）和微通道横截面（右）的三维视图。(d)针对两种质量通量G = 6,000和24,000 kg·m-2·s-1计算的微通道中心平面温度等值线图。
总结与展望
高功率 GaN 电子器件的热极限已经不再由单一材料的体相热导率决定，而是由近结区非平衡载流子动力学、热声子瓶颈、界面声子谱失配、尺寸效应和器件级散热结构共同控制。未来热管理策略需要从被动提升材料热导率，转向主动开辟多通道热输运路径，包括增强跨界面非弹性能量传递、优化界面声子模式、调控缺陷与尺寸效应，以及探索表面声子极化激元辅助的近场热输运通道。
此外，本文还总结了该领域仍面临的关键问题：实际工作器件内部热声子占据数分布仍难以直接实验重构；界面热输运中不同微观通道的贡献尚未完全厘清；SPhP 辅助热输运在GaN基器件中的直接实验证据仍然缺乏；尺寸效应研究目前大多基于简化薄膜或理想纳米结构，需要面向真实GaN HEMT中的局域热点、有限层厚、缺陷分布和多层界面，建立更准确的器件级热输运模型。未来，进一步将模式分辨实验、原子尺度模拟、声子BTE输运建模和器件级热设计紧密结合，是推动高功率GaN基器件热管理走向可预测、可设计和可验证的重要方向。
同济大学物理学院博士研究生王宇星为论文第一作者，同济大学物理学院陈杰教授与张忠卫副教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、长三角科技创新共同体联合攻关项目、上海市科委、上海市东方英才计划领军项目、中央高校基本科研业务专项资金等项目支持。
