image: (A) 镓辅助外延策略的原子尺度示意图。(B) 金刚石 (111) 衬底上β-Ga2O3薄膜的X射线衍射(XRD)2θ扫描图、(C)XRD摇摆曲线和(D)XRD-Φ扫描图。(E) β-Ga2O3/金刚石异质界面的截面高角环形暗场扫描透射电子显微(HAADF-STEM)图像、(F)选区电子衍射(SAED)图、(G)能量色散X射线谱(EDX)元素分布图以及(H, I)界面处原子级分辨的 HAADF-STEM图像。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
作为超宽禁带半导体材料，β-Ga2O3在高功率电子器件领域展现出巨大的应用潜力。然而其极低的本征热导率（k 仅为11–27 W⋅m−1⋅K−1）使器件面临严重的自热问题，这极大地限制了器件的功率密度与可靠性。金刚石被称为“终极半导体”，具有约~2200 W⋅m−1⋅K−1的极高热导率，是理想的散热材料。然而，β-Ga2O3与金刚石的高质量异质键合面临着界面结合强度不足、晶格和热膨胀系数失配大等挑战。
金属在高温下可催化金刚石向石墨转变，且在还原气氛下能与金刚石形成共格界面。为了应对上述挑战，来自郑州大学、北京大学、河南省科学院、苏州实验室以及大连理工大学的科研团队联合开发出一种新型的镓（Ga）辅助化学气相沉积策略。通过利用液态金属镓与金刚石之间的界面反应，团队成功地在金刚石衬底上实现了高质量β-Ga2O3薄膜的原子级外延生长。
借助先进的透射电子显微学（TEM）技术，研究人员从原子尺度直接揭示了该异质界面结构与物理特性间的构效关系。原位拉伸测试结果表明，所构筑的原子级平整且共价键结合的β-Ga2O3/金刚石异质界面的断裂强度超2.09 GPa。该高结合强度的界面主要得益于界面处新形成的C-O共价键结合强度显著高于β-Ga2O3(001)和(100)面内的Ga-O键。
时域热反射（TDTR）测试显示，厚度为509 nm的β-Ga2O3薄膜具有9.0 W⋅m−1⋅K−1 的热导率，同时β-Ga2O3/金刚石异质界面处的界面热导（TBC）达到了165.4 MW⋅m−2⋅K−1。科研团队通过先进的振动电子能量损失谱（4D-EELS）技术，在异质界面处识别出~60 meV的新界面声子模式。这种局域化的声子模式在微观上扮演了“声子桥”的角色，有效弥补了两种材料之间声子态密度的失配，从而显著增强了界面处的非弹性声子散射与热传输。
该研究成果深入揭示了β-Ga2O3/金刚石界面声子输运的微观调控机制，并为构筑兼具“高界面结合强度”与“优异界面热导”的异质界面提供了新的生长策略。这一突破性进展可为缓解氧化镓极低热导率造成的散热瓶颈问题，推动高性能氧化镓基功率器件的发展提供新思路。
该团队将继续探索利用该金属辅助外延策略实现高质量β-Ga2O3在多晶金刚石晶圆上的外延生长，并同步探索掺杂策略，实现β-Ga2O3基功率器件的性能优化。同时，这种金属辅助外延策略在构建其他金属氧化物半导体/金刚石异质界面方面也非常有前景。
关于依托机构：
郑州大学河南省金刚石材料与器件重点实验室长期致力于大尺寸高质量金刚石的制备，功能化应用及使役过程中的构效关系研究。