声子热桥”破解散热难题！复旦大学宁波研究院马宏平团队实现Ga₂O₃/SiC界 ...

编者按

近日，复旦大学宁波研究院双聘青年杰出人才、宽禁带半导体材料与器件研究所副所长马宏平博士团队在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表了最新成果。该研究以《Improving interfacial thermal conductivity by constructing covalent bond between Ga₂O₃ and SiC》为题，提出了一种原位共价键合策略，在超宽禁带半导体Ga₂O₃与宽禁带半导体SiC界面构建SiO₂ “声子热桥”，将界面热导率提升至162MW/m2·K ，揭示了化学键增强热输运的微观机制，为突破超宽禁带半导体散热瓶颈提供了关键支撑。

项目支持

本研究工作得到了以下项目的资助与支持：国家重点研发计划 (2022YFA1203100)、国家自然科学基金 (62574209, 52302202)、上海市科学技术委员会科技创新行动计划(21DZ1100800,23ZR1405300,20501110700,20501110702)、宁波市科技重大项目（2021Z123）、宁波市甬江人才工程 (2021A-037-C, 2021A-108-G)、长三角科技创新共同体联合攻关计划（2023CSJG0600）以及中国科学院青年基金（JCPYJJ22030）。

研究背景

超宽禁带半导体氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借优异的击穿场强在高功率器件领域备受瞩目，但其极低的本征热导率引发的“自热效应”严重制约了器件性能的释放。目前，将Ga₂O₃集成至SiC等高导热衬底的近结热管理技术（NJTM）虽被广泛采用，但主流的异质集成工艺通常在界面处形成微弱的范德华力（VdW）接触。这种弱物理连接导致声子在跨界面传输时发生严重散射，造成巨大的界面热阻（ITR），使得衬底的散热优势难以发挥。

针对这一关键瓶颈，本研究提出了一种利用高温原位反应构建界面共价键的策略。团队通过精确调控热处理工艺，在Ga₂O₃与SiC界面原位诱导生成了非晶SiO₂中间层，成功将界面结合性质由微弱的范德华力转变为强共价键合。结合时域热反射技术（TDTR）与分子动力学（MD）模拟，阐明了该非晶层作为“声子热桥”增强界面热输运的微观机制，并实现了超过现有实验报道的界面热导率，为超宽禁带半导体功率器件的热管理提供了关键技术支撑。

主要内容

超宽禁带半导体氧化镓因其极低的热导率（10-27W/m·K）而面临严重的自热挑战，严重制约了其在高功率器件中的性能释放。本研究提出了一种利用高温热处理在Ga₂O₃与SiC异质界面构建强共价键的策略，以替代传统的微弱范德华力接触。通过原子层沉积结合1173K退火工艺，研究团队在界面处原位诱导生成了厚度约为5.8nm的非晶SiO₂中间层。

TDTR测试表明，该共价键界面的热导率（ITC）高达162MW/m2·K，约为未处理范德华力界面的9倍，刷新了同类异质结的纪录。XPS深度刻蚀结合分子动力学模拟揭示，高温驱动下SiC表面的Si原子被氧化形成稳固的Si-O共价键，该非晶层作为“声子热桥”极大地增强了界面声子耦合效率。红外热成像及TCAD仿真进一步证实，在高功率密度下，共价键合器件的表面稳态温度降低了约29℃，且高压下的电流退化效应得到显著抑制，为解决宽禁带半导体异质集成的“热瓶颈”提供了高效的技术路径。

创新点

该研究提出了一种简单且与现有半导体工艺兼容的界面改性方案。通过精准调控热处理工艺，在Ga₂O₃/SiC界面构建非晶SiO₂共价键层，不仅克服了异质材料间的晶格失配，更建立了高效的散热通道。162MW/m2·K的超高界面热导率为解决氧化镓功率器件的热管理难题提供了新的技术路径，也为其他宽禁带半导体的异质集成提供了理论与实验依据。

工艺突破

不同于传统的机械键合，本研究通过1173K的高温退火工艺，在Ga₂O₃与SiC界面原位诱导生成了非晶SiO₂层。该工艺成功将界面结合性质由物理吸附转变为强共价键合，有效解决了异质材料间的晶格失配问题。

性能刷新

实验测得改性后的界面热导率高达162MW/m2·K，是未处理范德华力界面的9倍。这一数值刷新了目前Ga₂O₃异质结领域界面热导率的最高报道值，证明了共价键在增强声子耦合中的决定性作用。

应用验证

结合红外热成像与TCAD仿真证实，该策略在实际器件层面效果显著。在高功率条件下，共价键合器件的表面稳态温度降低约29℃，且高压下的电流退化效应得到有效抑制，大幅提升了器件的可靠性。

Doi:https://doi.org/10.1038/s41467-025-65750-8

来源：复旦大学宁波研究院

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