Nano Research | 郑州大学单崇新教授联合北京大学&大连理工大学团队:镓辅助外延实现氧化镓/金刚石高质量异质集成,突破功率器件散热瓶颈

由郑州大学单崇新教授联合北京大学、大连理工大学等研究团队在学术期刊Nano Research发布了一篇名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。

Nano Research（《纳米研究》）是由教育部主管、清华大学和中国化学会主办的高水平国际英文学术期刊。期刊于2008年7月创刊，2010年1月被SCI-E收录，由清华大学出版社与Springer联合出版。

作为纳米科学领域的顶级期刊，Nano Research主要发表具有原创性的世界一流科研论文及权威综述，内容涵盖纳米材料合成与表征、纳米物理、纳米电子学、纳米生物技术等纳米科技各领域。期刊现为开放获取模式，2025年影响因子为9.5，位于中科院材料科学1区及JCR Q1区，并入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊项目。期刊以快速审稿为特色，平均审稿周期约两周，年发文量超过1000篇，已成为全球纳米领域最具影响力的学术期刊之一。

β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体材料，凭借超高击穿场强，成为新一代高压功率电子器件极具潜力的核心材料。但β-Ga₂O₃自身热导率仅为10–27 W·m⁻¹·K⁻¹，器件运行时产生的焦耳热难以快速散出，会限制器件最大输出功率密度，同时加速器件热失效，散热难题一直是限制β-Ga₂O₃功率器件产业化的核心瓶颈。

金刚石拥有高达～2200 W·m⁻¹·K⁻¹的超高热导率，是公认最优的近结散热衬底材料。将β-Ga₂O₃薄膜直接外延生长在金刚石衬底上，可在热源近处快速疏导热点热量，是解决器件散热的理想方案。但β-Ga₂O₃为单斜晶系、金刚石为立方晶系，二者晶格参数差异巨大，晶格失配度极高；现有原子层沉积、脉冲激光沉积等薄膜制备工艺，易在界面生成ε-Ga₂O₃、γ-Ga₂O₃杂相，薄膜晶体质量较差；而现有低温键合、范德华键合方案得到的界面结合强度极低，高温工作下界面易分层失效。

除此之外，异质界面处的热边界电导直接决定跨界面传热效率。金刚石与β-Ga₂O₃声子态密度差异悬殊，极易造成声子散射损耗；同时界面结合方式、界面形貌、界面热膨胀系数失配都会显著影响界面导热性能。弱范德华作用会大幅阻碍声子输运，而巨大热膨胀失配会在界面产生GPa级热应力，引发界面开裂。因此，构建原子级平整、共价键合的高质量β-Ga₂O₃/金刚石异质界面，是实现高效散热、保障功率器件长期可靠性的关键。

β-Ga₂O₃在下一代功率电子器件领域具备巨大应用潜力，但其低热导率给高效散热带来巨大挑战。本文开发了一种镓辅助外延制备工艺，在金刚石衬底上生长高取向β-Ga₂O₃薄膜，以此解决该散热难题。所得β-Ga₂O₃薄膜热导率高达9.0 W·m⁻¹·K⁻¹，界面热边界阻力低至6.05 m² K·GW⁻¹；实验证实原子级锐利、共价键合的界面带来超过2.09 GPa的超高界面结合强度。借助振动电子能量损失谱，本研究观测到能量约60 meV的全新界面声子模式，该模式可大幅提升金刚石与β-Ga₂O₃之间的声子输运效率。该镓辅助外延策略可突破β-Ga₂O₃材料的热性能限制，为β-Ga₂O₃基功率器件与金刚石的异质集成提供极具前景的技术方案。

·首创镓辅助CVD外延工艺，在(111)金刚石衬底实现原子级平整(201)取向β-Ga₂O₃薄膜外延生长，无杂相、界面无中间层，薄膜晶体质量优于现有所有沉积/键合方案；

·实现β-Ga₂O₃与金刚石之间C−O共价键合界面，界面断裂强度>2.09 GPa，远高于范德华键合、低温直接键合等传统工艺，器件高温服役稳定性大幅提升；

·借助振动EELS直接观测到～60 meV新型局域界面声子模式，结合分子动力学模拟证实该声子是跨界面高效传热的核心通道，从原子尺度阐明异质界面声子输运机理；

·制备的β-Ga₂O₃薄膜热导率达9.0 W·m⁻¹·K⁻¹，界面热边界电导165.4 MW·m⁻²·K⁻¹、界面热阻仅6.05 m²·K·GW⁻¹，热输运性能全面超越已报道的Ga₂O₃/金刚石异质结构；

·完整揭示液态Ga刻蚀金刚石、石墨原位去除、氧化生成β-Ga₂O₃的原子级生长机理，为超宽禁带半导体/金刚石高质量异质集成提供普适性工艺思路。

综上，本文利用镓与金刚石之间的界面反应，通过化学气相沉积法在(111)金刚石衬底上实现了(201)取向β-Ga₂O₃薄膜的原子级外延生长。所得β-Ga₂O₃薄膜热导率κ高达9.0 W·m⁻¹·K⁻¹，界面热边界阻力（TBR）低至6.05 m²·K·GW⁻¹；界面处C–O共价键赋予异质界面超过2.09 GPa的超高断裂强度。实验观测到的～60 meV界面声子模式构建了高效声子传输通道，显著提升界面热边界电导（TBC）。上述研究结果阐明了β-Ga₂O₃/金刚石界面声子输运的微观机理，为同时具备高界面结合强度与优异热导率的异质界面设计提供技术方案，通过解决β-Ga₂O₃低热导率瓶颈，推动β-Ga₂O₃基功率电子器件的发展。

本研究得到国家自然科学基金（12274371、52572052、62271450、12504007、52327808）、河南省国际科技合作项目（261111521100）、河南省科技创新领军人才支持计划（254000510060）、江苏省重点科技专项（BG2024030）、江苏省优秀博士后资助项目、河南省科学院高层次人才科研启动经费（20251827009）资助。高鹏研究员感谢新基石科学基金会探索者项目提供资助。

图 5. β-Ga₂O₃(201)/金刚石(111)异质结构界面声子理论计算结果。(a) 跨β-Ga₂O₃(201)/金刚石(111)界面计算得到的声子态密度（PhDOS）二维分布图；(b) 提取的体相β-Ga₂O₃、体相金刚石、界面区域声子态密度曲线；(c) 三种典型局域界面声子模式的声子本征矢量，对应能量分别为61.5、61.8、59.5 meV；(d) 归一化热流谱分布，量化不同能量区间声子对体相β-Ga₂O₃、体相金刚石、界面总传热的贡献占比；(e) 非平衡分子动力学（NEMD）模拟下跨界面温度分布曲线。

通讯作者：单崇新，郑州大学教授，博士生导师，郑州大学学术副校长，国家杰出青年基金获得者、人社部“百千万人才工程”及国家有突出贡献中青年专家、中国青年科技奖获得者。主要从事宽禁带半导体光电材料与器件研究工作，已发表学术论文300余篇，主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目等。

通讯作者：李星，郑州大学物理学院教授，博士生导师，国家高层次青年人才、河南省优秀青年科学基金获得者、入选中国科协青年人才托举工程。先后在北京科技大学、北京大学获得学士、博士学位，于2018-2020年到美国布鲁克海文国家实验室进行公派博士后研究。研究领域为半导体材料结构与物性关系的原位电子显微学研究。近年来以第一/通讯作者身份Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等权威期刊发表论文25篇。主持国家级科研项目4项、省部级项目5项。曾获北京大学优秀博士论文奖（2017）、中国电子学会优秀博士学位论文奖（2018）及中国真空学会优秀论文奖等荣誉。

通讯作者：高鹏，北京大学物理学院博雅特聘教授、博导，量子材料科学中心、电子显微镜实验室副主任，新基石Xplorer Prize获得者，国家杰青，本论文理论与声子谱学通讯作者。主要研究方向为凝聚态物理与原子尺度界面科学，开发四维电子能量损失谱技术，研究成果三次入选中国电子科技、光学及半导体十大进展 。获中国硅酸盐学会青年科技奖、科睿唯安全球高被引科学家等荣誉，2017年入选福布斯中国30位30岁以下精英榜，2023年获科学探索奖，2025年4月获2024年度茅以升北京青年科技奖。累计发表论文300余篇，其中包含6篇Nature/Science及50余篇子刊论文，担任Nature、Science等期刊审稿人。

通讯作者：程少博，国家高层次青年人才称号获得者。博士毕业于清华大学国家电镜中心，先后在加拿大国家电镜中心和美国布鲁克海文国家实验室做博士后和助理研究员。近年来，在Science, Sci. Adv., PNAS, Phys. Rev. Lett.等期刊发表论文50多篇。曾获2021年美国能源前沿研究中心的杰出冯诺伊曼博士后奖、2020年美国电子显微学会Postdoctoral Award、北京市优秀毕业生、清华大学优秀博士论文等荣誉。