【国际论文】APL丨美国马萨诸塞大学：在 β-Ga₂O₃ 上采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）生长多晶金刚石薄膜及其表征

        由美国马萨诸塞大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Microwave plasma CVD growth and characterization of polycrystalline diamond films on β-Ga₂O₃（在 β-Ga₂O₃ 上采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）生长多晶金刚石薄膜及其表征）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，凭借 4.8 eV 的禁带宽度、超高临界击穿电场以及可通过熔体法制备大尺寸低成本单晶衬底等优势，成为下一代大功率电子器件的核心候选材料，在高压整流器、功率晶体管等领域具备广阔应用前景。但该材料存在固有热导率偏低的短板，器件在高功率工况下易产生局部热点，引发结温升高、器件性能衰退与长期可靠性下降等一系列问题，严重制约其规模化商用。金刚石拥有远超常规半导体的超高热导率，同时兼具宽禁带、高机械强度与化学稳定性，是理想的散热集成材料。目前业内已将微波等离子体化学气相沉积技术应用于氮化镓/金刚石复合结构并实现热阻优化，但针对 β-Ga₂O₃ 衬底的金刚石沉积仍存在难点，二者表面能失配易导致金刚石形核困难、薄膜断续。现有相关研究多仅聚焦初期形核行为，缺乏对沉积工艺、界面层类型如何调控金刚石形貌、晶粒、物相及光学特性的系统性探究，这一技术空白阻碍了 β-Ga₂O₃ 基大功率器件热管理方案的落地。

        金刚石与 β-Ga₂O₃ 集成是改善大功率电子器件热管理的有效方案，β-Ga₂O₃ 本征热导率较低，器件工作时易出现局部自发热、结温升高等问题。该团队采用微波等离子体化学气相沉积技术，结合介质过渡层与聚合物辅助静电纳米金刚石籽晶法，在 (010) 取向 β-Ga₂O₃ 衬底上制备多晶金刚石薄膜，该工艺可实现规模化制备且对衬底损伤小，并系统探究了生长条件对薄膜形貌、晶粒演变、物相纯度及光学特性的影响。在 800 °C 生长温度下，随着沉积时间延长，金刚石晶粒持续粗化，薄膜厚度为 53 nm 时横向晶粒尺寸为 37.6 nm，厚度增至 886 nm 时晶粒尺寸达到 192.5 nm。微观结构演变过程中，金刚石拉曼峰半高宽不断收窄，sp³ 相占比由 95.9% 逐步提升至 98.9%，说明延长沉积时间可有效抑制非金刚石碳杂质。在相同生长条件下对比 SiO₂ 与 SiNₓ 两种介质层，二者制备的金刚石晶粒尺寸与物相纯度差异极小，证明在实现高形核密度后，介质层类型带来的影响有限。该研究在低至 480 °C 的衬底温度下，仍制备出 sp³ 相占比高于 96 % 的金刚石薄膜，证实低热负荷工况下也可实现金刚石与 β-Ga₂O₃ 的集成。该成果为 β-Ga₂O₃ 基金刚石集成体系搭建了稳定、可量产的技术平台，助力下一代高热管理性能功率器件与射频器件的研发。

        •结合介质过渡层与聚合物辅助纳米金刚石籽晶工艺，提出低损伤、可规模化的微波等离子体化学气相沉积方法，在 (010) 取向 β-Ga₂O₃ 衬底上生长多晶金刚石薄膜。

        •阐明 800 °C 条件下，金刚石薄膜晶粒尺寸、表面形貌与 sp³ 相纯度随沉积时长的演变规律。

        •验证在形成高形核密度后，SiO₂、SiNₓ 两种介质过渡层对金刚石薄膜品质影响微弱。

        •在 480 °C 低温条件下制备出 sp³ 相占比超 96 % 的高纯度金刚石薄膜。

        该团队针对 β-Ga₂O₃ 衬底开展微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜的系统性研究，明确了工艺参数、界面结构对晶粒生长、表面特性及光学性能的调控规律。恒温条件下延长沉积时间，薄膜由致密纳米晶逐步转变为刻面结构，晶粒横向扩张、结晶有序度持续提升。随着衬底温度升高，原子表面迁移能力增强，晶粒粗化、物相纯度同步优化，薄膜沉积速率与厚度也随之增加。即便在 480 °C 的低温环境中，依旧可生长出连续、高纯度的金刚石薄膜，该工艺能够适配低热负荷限制下的器件制备流程。

图 1. 800 °C 下分别沉积 10、30、60、150 min 所得金刚石薄膜的表面形貌与粗糙度演变：(a)–(d) 扫描电镜图；(e)–(h) 对应的原子力扫描图，图中可见晶粒尺寸、刻面结构与均方根粗糙度逐步增大。

图 2. 800 °C 下生长金刚石薄膜的拉曼光谱，随着薄膜厚度增加，金刚石 sp³ 特征峰强度逐步提升。

图 3. 800 °C 条件下生长的金刚石薄膜，其晶粒尺寸、表面粗糙度、拉曼峰半高宽及 sp³ 相纯度随薄膜厚度的变化关系。

图 4. (a)、(c)、(e) 扫描电镜图与 (b)、(d)、(f) 原子力图，展示 480、600、800 °C 不同温度下金刚石薄膜表面形貌、晶粒尺寸与粗糙度的演变规律。

图 5. 480、600、800 °C 条件下生长金刚石薄膜的 (a) 拉曼光谱与 (b) 光吸收光谱。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0333162