随着新能源汽车、高压电力电子、智能电网以及高频功率器件的发展，半导体材料正不断向更高耐压、更高功率密度方向演进。β-Ga₂O₃（β-氧化镓）作为一种典型超宽禁带半导体，其理论功率器件性能指标（BFOM）有望超过传统SiC和GaN材料，因此被认为是下一代高压功率电子的重要候选材料。

然而，β-Ga₂O₃自身存在一个限制其产业化应用的关键问题——热导率较低。研究表明，其热导率仅约10–27 W/m·K，并且具有明显的晶向依赖性。在高电流、高频工作条件下，器件内部产生的焦耳热难以及时释放，容易造成局部温升、热应力积累，最终影响器件效率和可靠性。

相比之下，金刚石具有目前已知材料中最高等级的热导能力，块体金刚石热导率可达到2000–2500 W/m·K，被广泛研究用于高功率电子器件散热。因此，将β-Ga₂O₃与金刚石进行异质集成，被认为是解决氧化镓散热瓶颈的重要路径。

不过，β-Ga₂O₃/金刚石集成并非简单叠层。金刚石通常通过化学气相沉积（CVD）方式生长，而这一过程需要高温和富氢等离子环境，容易导致β-Ga₂O₃表面退化。同时，两种材料之间存在晶格失配和热膨胀系数差异，可能诱发界面缺陷、裂纹以及热阻增加。因此，如何构建兼具高热传输效率和高机械稳定性的界面，成为该领域的重要挑战。

近期，斯洛伐克科学院团队联合捷克科学院、英国布里斯托大学等团队开展研究，系统研究了SiO₂和SiC中间层以及不同金刚石成核策略对β-Ga₂O₃/金刚石异质界面热传输与机械稳定性的影响，提出了一种“两步式金刚石生长”界面构筑策略，为实现高可靠氧化镓功率器件热管理提供了新的解决方案。相关成果以“Heterogeneous Integration of β-Ga₂O₃ and Polycrystalline Diamond via SiC and SiO₂ Interlayers with Optimized Adhesion and Thermal Boundary Resistance for Power-electronic Applications”为题，发表于《Carbon》。

通过“过渡层+成核工艺”协同优化界面性能

论文构建了由蓝宝石衬底、外延β-Ga₂O₃薄膜、中间SiO₂或SiC层以及CVD多晶金刚石组成的异质结构。其中，β-Ga₂O₃薄膜采用液态注入MOCVD方式生长，随后分别沉积约23 nm厚SiO₂层或约50 nm厚SiC层，并在其表面进行金刚石沉积。研究同时比较了纳米金刚石成核（NDS）、超声辅助成核（US）以及聚合物辅助成核（PAS）三种工艺对最终结构性能的影响。

研究发现，中间层材料和金刚石成核方法共同决定了异质结构的性能表现。结构表征结果显示，不同工艺均能够实现连续金刚石薄膜生长，且β-Ga₂O₃层在金刚石沉积过程中保持完整，没有出现明显裂纹或宏观剥离现象，说明SiO₂和SiC过渡层能够有效缓解界面热应力。

在机械性能方面，SiC表现出更优异的界面结合能力。采用SiC过渡层的样品临界剥离载荷达到约17–20 N，而SiO₂结构约为6–11 N，表明SiC能够提供更强的界面结合和更好的热机械稳定性。

在热管理方面，SiO₂结构表现出更低的热边界电阻（TBR）。其中，SiO₂结合超声辅助成核方式获得最低有效TBR，约47 m2K/GW；而SiC结构的TBR范围约为72–92 m2K/GW。研究指出，埋藏界面的过渡层以及相关界面质量，是决定整体热阻的主要因素。

提出两步式金刚石生长策略，推动氧化镓散热应用

值得注意的是，论文并未直接追求高热导金刚石厚膜生长，而是关注如何首先构建稳定、高质量的界面。由于低温CVD条件下形成的纳米晶金刚石热导率较低（约5.5–6.8 W/m·K），其主要作用并非作为最终散热层，而是保护β-Ga₂O₃/过渡层界面，并为后续高质量金刚石生长提供基础。

基于实验结果，研究团队提出“两步式金刚石生长方案”：第一步，在温和条件下生长约20–50 nm厚纳米晶金刚石保护层，用于稳定界面并避免氧化镓损伤；第二步，再通过传统高温微波等离子CVD方式生长具有更高热导率的微晶金刚石厚层，实现高效散热。研究认为，薄保护层本身仅贡献约3–9 m2K/GW热阻，而真正决定整体热性能的是底部界面结构。

研究意义：为氧化镓功率器件热管理提供新路径

该研究系统揭示了β-Ga₂O₃/金刚石异质集成过程中“机械可靠性”和“热传输效率”之间的平衡关系。研究表明，SiC过渡层更适合提升界面强度，而SiO₂体系则在降低热边界电阻方面具有优势。通过合理设计过渡层和金刚石生长流程，可以兼顾界面稳定性与散热需求。

该工作为未来β-Ga₂O₃二极管、MOSFET等高功率器件采用金刚石散热方案提供了可扩展的工艺思路，也进一步证明了金刚石不仅能够作为独立热管理材料，还可以通过异质集成方式成为超宽禁带半导体发展的关键支撑平台。

图文导读

图1. (a) 本文研究的β-Ga₂O₃/中间层（SiC或SiO₂）/金刚石异质结构的示意性横截面图。(b) 通过NDS、US和PAS方法制备的金刚石种子层的示意图。

图2. β-Ga₂O₃/金刚石异质结构的XRD谱图。（a）采用NDS成核法的广角对称2θ/ω XRD谱图示例；（b）GIXRD谱图，突出了不同层间/成核组合下的金刚石衍射峰。

图3. 针对不同中间层（SiC和SiO₂）与金刚石成核方式（NDS、US和PAS）组合的β-Ga₂O₃/金刚石异质结构的截面扫描电子显微镜（SEM）微观图像，详细展示了β-Ga₂O₃/金刚石界面：(a) SiC/NDS，(b) SiC/US，(c) SiC/PAS， (d) SiO₂/NDS，(e) SiO₂/US，(f) SiO₂/PAS。

图4. 具有SiC中间层的β-Ga₂O₃/金刚石异质结构的截面透射电子显微镜图像。(a) 样品的明场（BF）图像。(b) β-Ga₂O₃/SiC/金刚石界面的高角二色性场（HAADF）图像，大致对应于图4(a)中标记的大红色矩形区域。(c) 通过能谱（EDS）成像采集的、覆盖图4(b)中绿色矩形标出的Ga₂O₃/SiC/金刚石界面区域的积分光谱。(d) 来自(a)中红色小矩形标出区域的β-Ga₂O₃/SiC/金刚石界面的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。由白色矩形标出的SiC(O)层对应的FFT结果表明，该层为非晶态。

信息来源： DT半导体

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