芯耀
与非AI
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近日，郑州大学金刚石材料与器件团队在金刚石散热应用领域取得重要进展，创新提出金属辅助外延生长策略，成功实现高质量、高取向β-Ga₂O₃（氧化镓）薄膜在金刚石衬底上的异质外延，并构筑出兼具高界面结合强度和高界面热导率的新型异质界面，为氧化镓功率器件散热难题提供了新的解决方案。
由郑州大学单崇新教授、程少博教授、李星教授联合北京大学高鹏教授等人的研究团队在学术期刊National Science Review发布了一篇名为“Superior interfacial thermal conductance between β-Ga₂O₃ and diamond realized through metal-assisted epitaxial strategy”（通过金属辅助外延策略实现β-Ga₂O₃与金刚石之间优异的界面热导率）的文章。
具高界面结合力和高界面热导的β‑Ga₂O₃/金刚石异质界面
氧化镓散热瓶颈亟待突破
近年来，随着新能源汽车、AI数据中心、新型电网等高功率应用快速发展，具有超高击穿电场的β-Ga₂O₃被认为是下一代超宽禁带功率半导体的重要代表。
然而，与其优异电学性能相比，氧化镓最大的短板在于导热能力较弱，其热导率仅约11～27 W·m⁻¹·K⁻¹。器件运行过程中产生的大量热量难以及时释放，容易形成局部热点，限制器件功率密度和长期可靠性。
相比之下，单晶金刚石拥有高达2200 W·m⁻¹·K⁻¹左右的超高热导率，是目前已知导热性能最优异的材料之一，因此被广泛认为是氧化镓器件最理想的散热衬底。
不过，由于金刚石与氧化镓在晶格参数、热膨胀系数以及声子谱等方面存在较大差异，两者之间难以形成高质量界面，传统键合方式往往存在结合强度不足、界面热阻较高等问题，限制了散热性能的进一步提升。
金属镓辅助外延，实现原子级界面结合
针对这一难题，研究团队提出了全新的金属辅助外延生长策略。研究人员采用化学气相沉积（CVD）技术，在高温条件下利用金属镓对金刚石表面的催化刻蚀作用，获得原子级平整的金刚石(111)晶面。随后，在低氧环境中，金属镓进一步氧化生成β-Ga₂O₃，并直接在金刚石表面完成异质外延生长。
研究发现，β-Ga₂O₃的(-201)晶面中氧原子的排列方式与金刚石(111)晶面碳原子排布高度匹配，两种材料最终通过C—O共价键实现原子级连接，使氧化镓薄膜形成明显的(-201)择优取向生长，同时界面不存在传统工艺中常见的非晶过渡层。
界面结合强度超过氧化镓本体
高质量界面不仅改善了晶体结构，也显著提升了界面的机械可靠性。研究团队开展原位拉伸实验发现，样品断裂并未发生在异质界面，而是发生在氧化镓内部，其界面断裂强度超过2.09 GPa。
这一结果表明，界面的C—O共价键结合强度甚至高于氧化镓内部Ga—O键，实现了类似"原子级焊接"的连接方式，为高功率器件长期工作过程中抵抗热应力和机械应力提供了重要保障。
新型界面声子模式助力高效散热
除了实现牢固结合外，该研究还揭示了界面高效导热的微观机制。研究人员利用四维电子能量损失谱（4D-EELS）技术，在原子级异质界面首次观察到一种局域化界面声子模式。这种新的界面振动模式能够有效缓解氧化镓与金刚石之间的声子失配问题，为两种材料之间建立起高效的热量传输通道，促进热量跨越界面快速传递。
通过时域热反射（TDTR）测试，该异质界面的界面热导（TBC）达到165.4 MW·m⁻²·K⁻¹，相比传统氧化镓/金刚石界面实现了显著提升，展现出优异的热管理能力。
为第四代半导体热管理提供新思路
业内认为，热管理始终是氧化镓功率器件产业化过程中需要重点突破的关键问题之一。本项研究通过构建原子级共价键异质界面，不仅兼顾了界面机械强度和热传输效率，还揭示了界面声子调控的新机制，为超宽禁带半导体与金刚石异质集成提供了新的技术路线。
未来，该策略有望进一步拓展至氧化镓高功率器件、高温电子器件以及其他超宽禁带半导体材料的异质集成，为新一代高性能功率电子器件的散热设计和封装技术提供重要参考。
