宁波材料所团队：氧化镓与金刚石的异质集成方法及应用进展综述

氧化镓是一种带隙约4.9 eV的超宽禁带半导体，具备极高的击穿电场强度（约10 MV/cm）和优异的Baliga优值，使其在高压功率器件领域具有显著优势。相比传统硅材料，其性能潜力可提升数千倍，因此被认为是实现10 kV以上高压器件的重要候选材料。同时，氧化镓在深紫外探测等光电子领域同样展现出良好的应用前景。

然而，氧化镓也存在两个关键瓶颈：一是其本征热导率较低（通常小于30 W/m·K），在高功率工作条件下易产生严重的自热效应，导致器件性能下降甚至失效；二是其p型掺杂极其困难，这一问题源于氧化物半导体中氧2p轨道的稳定性、空穴有效质量大以及自陷效应等多重因素，使得高性能双极型器件难以实现。

与之相比，金刚石材料则展现出完全不同的优势。金刚石不仅拥有高达5.5 eV的禁带宽度，还具有目前已知块体材料中最高的热导率（超过2000 W/m·K），能够实现极其高效的热扩散。此外，金刚石可以通过硼掺杂实现稳定的p型导电，其空穴迁移率也远高于大多数半导体材料。尽管金刚石在n型掺杂方面存在困难，但其在热管理和p型导电方面的优势，恰好能够弥补氧化镓的不足。因此，将n型氧化镓与p型金刚石进行异质集成，被认为是一种兼具热学与电学优势的理想解决方案。

近日，来自中国科学院宁波材料所等单位的研究团队发表综述论文《Integrations and applications of gallium oxide and diamond》，系统梳理了氧化镓（Ga₂O₃）与金刚石两类超宽禁带半导体的异质集成技术及其应用进展。

多种氧化镓/金刚石异质集成技术路径，各有优劣。

首先是转移与键合方法，该方法通过机械剥离等手段将氧化镓薄膜转移至金刚石衬底上，从而实现两种材料的结合。这种方法可以最大程度保持材料本身的晶体质量，并避免晶格失配问题，同时能够获得界面粗糙度极低的高质量界面。然而，该方法在大面积制备和工艺一致性方面仍存在挑战，限制了其规模化应用。

其次是在氧化镓上外延生长金刚石，但由于金刚石通常在高温氢气环境中通过化学气相沉积生长，氧化镓在此条件下容易被还原，导致界面结构受损。因此，研究中通常需要引入如SiO₂等缓冲层进行保护，但这又会引入额外的热阻，削弱热管理效果。

相比之下，在金刚石上生长氧化镓被认为是一种更具潜力的路径。由于氧化镓薄膜可以在相对较低温度下通过多种方法沉积，例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、脉冲激光沉积（PLD）和原子层沉积（ALD），因此可以在不破坏金刚石结构的前提下实现异质外延。

研究表明，通过调控工艺参数，可以在金刚石上实现β相或ε相氧化镓的生长，其中ε-Ga₂O₃由于与金刚石具有较小的晶格失配，更有利于形成高质量界面。此外，通过界面工程设计，例如引入AlN、Al₂O₃或石墨烯等中间层，可以有效缓解应力并提高界面热导。实验结果显示，优化后的Ga₂O₃/金刚石界面热边界导热系数可达到数十甚至数百MW/m2·K，显著优于传统半导体体系。

金刚石/Ga₂O₃异质结器件的示意图及其性能特性

在器件应用方面，氧化镓与金刚石的集成首先在热管理领域展现出重要价值。理论和实验研究表明，引入金刚石衬底或热扩散层后，氧化镓器件的峰值温度可降低数十至数百摄氏度，从而显著提升器件的可靠性和输出功率。例如，在高功率MOSFET结构中，采用金刚石作为散热路径可以有效抑制电流塌陷并提高工作稳定性。此外，通过双面散热等封装方式，器件的功率密度还可进一步提升。

另一方面，基于n型氧化镓与p型金刚石构建的异质pn结器件，为突破氧化镓无法实现p型掺杂的限制提供了新思路。研究表明，这类异质结具有典型的整流特性，整流比可超过10⁷，击穿电压可达到千伏级甚至超过3000 V。同时，由于两种材料均具有宽禁带特性，该类器件在高温环境下仍能保持稳定性能，展现出在高压电力电子领域的应用潜力。

在光电子领域，氧化镓与金刚石的带隙差异还带来了独特的光谱响应特性。氧化镓主要响应240–260 nm波段，而金刚石则响应更短波长的深紫外区域。通过构建异质结构，可以实现覆盖210–260 nm范围的宽谱深紫外探测器，覆盖“太阳盲区”，在空间探测、火焰监测等领域具有重要应用价值。实验表明，该类器件具有高光暗比和良好的温度稳定性，显示出优于单一材料器件的综合性能。

尽管氧化镓与金刚石的异质集成展现出广阔前景，但仍面临一系列关键挑战。

首先，两种材料在热膨胀系数和晶格常数方面存在显著差异，易在界面产生应力和缺陷；其次，两种材料的制备环境差异较大，直接集成过程复杂；此外，异质外延过程中材料性能往往难以达到块体水平，例如多晶金刚石的热导率明显低于单晶材料，界面缺陷也会影响器件电学性能。这些问题仍需通过界面工程、应力调控以及新型工艺技术加以解决。

总体来看，氧化镓与金刚石的结合代表了超宽禁带半导体领域的重要发展方向。二者在热学与电学性能上的高度互补，使其有望在高压功率电子、深紫外探测乃至新型能源器件等领域实现突破。随着材料制备与集成技术的持续进步，这一“最强组合”有望推动下一代高性能半导体器件迈向新的高度。

来源：DT半导体

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