随着电动汽车、数据中心、电网设备等领域对高功率电子器件需求不断提升，超宽禁带半导体氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超高击穿电场而被视为下一代功率电子器件的重要候选材料。然而，氧化镓较低的热导率一直是限制其进一步应用的关键瓶颈。在高功率工作条件下，器件产生的大量热量难以及时散出，容易导致性能下降甚至失效。

       近日，来自郑州大学、河南省科学院、北京大学等单位的研究团队在《National Science Review》发表题为《Realizing superior interfacial thermal conductance between β-Ga₂O₃ and diamond through metal-assisted epitaxial strategy》的研究论文。研究团队提出一种镓辅助外延（Ga-assisted epitaxy）策略，在金刚石表面实现高质量β-Ga₂O₃外延生长，并构建出兼具高界面结合强度和优异导热性能的β-Ga₂O₃/金刚石异质结构。

       氧化镓与金刚石的结合被认为是解决散热问题的重要方案。金刚石具有约2200 W·m⁻¹·K⁻¹的超高热导率，是目前已知导热性能最优异的材料之一。如果能够将氧化镓器件直接集成到金刚石衬底上，可实现近结区散热，大幅降低热点温度。然而，两种材料在晶体结构和晶格参数方面存在较大差异，导致高质量界面构筑十分困难。现有原子层沉积、脉冲激光沉积以及键合工艺往往面临界面质量不足、结合强度有限以及热边界导热性能不理想等问题。

       针对这一挑战，研究团队利用化学气相沉积（CVD）工艺，引入液态镓作为生长前驱体。研究发现，高温条件下镓与金刚石表面发生界面反应，可诱导金刚石局部石墨化并产生“滑移刻蚀”效应，从而持续暴露出原子级平整的新鲜表面。随后镓在氧气环境下氧化形成Ga₂O₃，并进一步转化为β-Ga₂O₃，实现其在金刚石（111）表面上的外延生长。

       结构表征结果显示，所得β-Ga₂O₃薄膜呈现明显的（201）择优取向，并与金刚石（111）晶面形成原子级平整界面。透射电子显微镜分析进一步证明，界面处不存在明显中间层，氧化镓中的氧原子与金刚石中的碳原子直接形成C–O共价键连接。这种原子级直接结合不仅提高了界面质量，也为热量跨界面传输提供了有利条件。

       为了评估界面可靠性，研究团队开展了原位透射电镜拉伸实验。结果显示，该异质结构的界面断裂强度超过2.09 GPa，显著高于多数已报道的金刚石相关异质结构。实验过程中，裂纹主要出现在氧化镓内部而非界面处，表明形成的C–O共价键强度甚至高于部分Ga–O键，界面结合十分牢固。

       在热输运性能方面，该研究同样取得了突出成果。测试结果表明，所制备β-Ga₂O₃薄膜的热导率达到9.0 W·m⁻¹·K⁻¹，而β-Ga₂O₃/金刚石界面的热边界电导（TBC）达到165.4 MW·m⁻²·K⁻¹，对应热边界热阻仅为6.05 m²·K·GW⁻¹，优于此前报道的大多数Ga₂O₃/金刚石界面。

       更重要的是，研究人员借助振动电子能量损失谱（Vibrational EELS）技术，在界面处发现了一种此前未被报道的约60 meV界面声子模式。理论计算与实验结果共同表明，该界面声子模式能够充当金刚石与氧化镓之间的“声子桥梁”，促进不同材料中的声子耦合和能量传递，从而显著提升界面热输运能力。这一发现也为理解异质界面中的微观热传导机制提供了新的认识。

       总体来看，该工作提出了一种利用金属辅助外延实现β-Ga₂O₃与金刚石高质量集成的新方法，不仅解决了界面结合强度和热传导效率难以兼顾的问题，还揭示了界面声子模式增强热传输的微观机制。对于氧化镓功率器件而言，这种高热导异质结构有望缓解散热瓶颈，提高器件功率密度和可靠性，也为未来超宽禁带半导体与金刚石的异质集成提供了新的技术路径。

       图文导读

图1. 镓辅助外延工艺与β−Ga2O3薄膜宏观、晶体结构表征。(a) β−Ga2O3与金刚石晶体结构及晶格参数示意图；(b) 镓辅助 CVD 外延制备工艺流程示意图；(c) 生长后薄膜整体形貌图；(d) 三步式外延生长机理示意图；(e) 样品XRD 2θ 扫描图谱；(f) β−Ga2O3(402) 晶面 XRD 摇摆曲线；(g) β−Ga2O3(002) 晶面 XRD 方位角扫描图谱。

图 2. β−Ga2O3/ 金刚石异质界面微观结构与外延机理分析。(a) 截面高角环形暗场扫描透射电镜图像；(b) 选区电子衍射图谱；(c) 能谱元素分布 mapping 图；(d)(e) 两种取向晶粒对应的界面原子分辨 HAADF-STEM 图像与原子排布模型；(f) 金刚石衬底上β−Ga2O3薄膜表面形貌；(g) β−Ga2O3(201)与金刚石 (111) 晶面原子排列对比示意图；(h)(i) 金刚石 (001) 衬底生长样品的界面微观结构；(j) 镓辅助外延原子尺度演化全过程示意图。