【国内论文】Ceram Int丨山东大学：研究 β-Ga₂O₃ 薄膜的热传导：外延生长参数的影响

        由山东大学的研究团队在学术期刊 Ceramics International 发布了一篇名为 Exploring thermal transport in β-Ga₂O₃ films: The effect of epitaxial growth parameters（研究 β-Ga₂O₃ 薄膜的热传导：外延生长参数的影响）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，在下一代功率电子器件中展现出巨大应用潜力，但其本征热导率低且各向异性显著，器件散热问题已成为制约其实用化的关键瓶颈。外延生长是获得高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜的核心手段，然而生长温度、压强、厚度等关键参数会显著引入晶粒缺陷、氧空位与界面损耗，强烈散射声子并降低热导率；现有研究多关注晶体与光电性能，针对 PLD 制备 β-Ga₂O₃ 薄膜的热输运调控机制尚不清晰，缺乏系统的生长参数 显微结构 热导率关联规律。

        β-Ga₂O₃ 是一种极具前景的超宽禁带半导体，适用于下一代高性能微纳电子器件。但其本征高热各向异性热导率对散热提出严峻挑战，而散热能力受薄膜生长过程中引入的显微结构缺陷显著影响。该团队采用脉冲激光沉积法在 c 面蓝宝石上外延生长 β-Ga₂O₃ 薄膜，系统研究了生长温度、压强和薄膜厚度等关键参数对其热导率的影响，采用差分 3ω 法表征热导率。结果表明，三类参数均产生显著影响：将生长温度从 650 ℃ 提升至 850 ℃ 可使热导率提升约 140%，达到 5.18 W・m⁻¹・K⁻¹，该提升源于晶粒增大与点缺陷密度降低，从而削弱晶界与空位对声子的散射。优化生长压强可显著改善热导率，这与吸附原子迁移率与缺陷调控相关。当厚度从 136 nm 增至 674 nm 时，热导率从 2.37 W・m⁻¹・K⁻¹ 大幅提升至 4.04 W・m⁻¹・K⁻¹，表现出明显的尺寸效应，即薄膜厚度限制了主要载热声子的平均自由程。该团队还得出界面热阻为 4.31 ×10⁻⁸ m²・K・W⁻¹。本研究建立了由声子散射机制主导的显微结构 热性能关联规律，为设计生长参数、调控 β-Ga₂O₃ 薄膜热输运性能以用于先进器件应用提供了重要指导。

        •采用 3ω 法测量了 PLD 制备的 β-Ga₂O₃ 薄膜的热导率。

        •优化外延生长温度与压强可显著提升 β-Ga₂O₃ 薄膜的热导率。

        •850 ℃ 生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜热导率为 5.18 W・m⁻¹・K⁻¹，约为 650 ℃ 样品的 2.4 倍。

        •在 β-Ga₂O₃ 薄膜中观察到显著的厚度依赖热导率行为。

        •声子-边界散射与声子-空位散射是生长参数决定 β-Ga₂O₃ 薄膜热导率的核心机制。

        该团队采用差分 3ω 法系统研究了脉冲激光沉积（PLD）在 c 面蓝宝石上外延生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的热导率，建立了生长温度、压强、薄膜厚度等关键参数与热输运性能之间清晰的定量关联，并揭示了声子散射机制。热导率随生长温度显著提升，从 650 ℃ 到 850 ℃ 提升约 140%（从～2.20 升至 5.18 W・m⁻¹・K⁻¹），主要源于晶粒增大与点缺陷浓度降低，从而削弱晶界与空位引起的声子散射，该结论得到 BTE 计算的声子散射速率证实。生长压强呈现关键的非单调调控作用，在 4.5–8.5 mTorr 范围内热导率呈 “V 型” 变化，4.5 与 8.5 mTorr 条件下明显高于中间压强 6.5 mTorr，这与 PLD 生长中压强依赖的吸附原子迁移率与缺陷引入动力学相关。薄膜表现出显著的厚度依赖尺寸效应，厚度从 136 nm 增至 674 nm 时，热导率从 2.37 单调升至 4.04 W・m⁻¹・K⁻¹，源于长平均自由程声子的边界散射随厚度增加逐渐缓解。通过厚度依赖热导率分析得出总热阻为 4.31 ×10⁻⁸ m²・K・W⁻¹，反映了异质外延体系固有的声子失配与界面缺陷。本研究表明，β-Ga₂O₃ 薄膜热导率并非本征材料属性，而是由制备条件决定性调控。通过建立生长参数 显微结构 主导声子散射机制框架，为生长工艺设计提供了重要理论与实践指导，优化参数是实现 β-Ga₂O₃ 薄膜热性能调控的直接路径，对改善散热、保障下一代大功率电子器件可靠性至关重要。

        本研究得到山东省自然科学基金（No. ZR2025ZD32）、深圳市科技计划（Nos. JCYJ20240813101231040、JCYJ20250604124217023）、广东省基础与应用基础研究基金（Nos. 2025A1515012590）、国家自然科学基金（No. 52576077）与山东省高等学校青年创新科技支持计划（No. 2023KJ003）资助。

图 1. (a) 3ω 测试系统示意图；(b) 本文所用 3ω 传感器；(c) 用于计算 TCR 的 3ω 传感器电阻随温度变化曲线，红色虚线为数据点线性拟合；(d) 衬底 (Sub) 与带薄膜衬底 (Sub + Film) 的温升 (Δ_T)。

图 2. (a) PLD 系统示意图；(b) β‑Ga₂O₃ 薄膜生长模式；(c) β‑Ga₂O₃ 常规单胞与蓝宝石位置关系示意图；(d)-(f) 不同温度、O₂ 压强与厚度下生长的 β‑Ga₂O₃ 的 XRD 图谱。

图 3. (a)-(c) 不同温度生长的薄膜表面 AFM 图；(d)-(f) 不同压强生长的薄膜表面 AFM 图；(h)-(g) 不同厚度的薄膜表面 AFM 图。

图 4. (a)-(c) 不同温度生长的截面 SEM 图；(d)-(f) 不同压强生长的截面 SEM 图；(h)-(g) 不同厚度的截面 SEM 图。

图 5. 不同温度生长的 β‑Ga₂O₃ 薄膜热导率，薄膜热导率随生长温度升高单调上升。

图 6. (a)-(c) 650 ℃、750 ℃、850 ℃ 生长的 β‑Ga₂O₃ 薄膜 SEM 图；(d)-(f) 晶粒尺寸分布；(g) XPS 谱；(h) 850 ℃ 样品 O 1s XPS 谱；(i) 非晶格氧比例。

图 7. (a) 本文所得 β‑Ga₂O₃ 薄膜热导率与参考文献结果 [34, 39]、垂直 (-201) 方向体热导率、Debye-Callaway 模型预测值 [39] 的对比；(b) β‑Ga₂O₃ 的声子散射速率，包括非简谐、非简谐 + 空位、非简谐 + 空位 + 边界。采用 2% 氧空位浓度计算声子‑空位散射速率。

图 8. 750 ℃ 固定温度下不同压强生长的 β‑Ga₂O₃ 薄膜热导率，随生长压强升高呈现 “V 型” 变化。

图 9. (a)-(c) 4.5mTorr、6.5mTorr、8.5mTorr 生长的 β‑Ga₂O₃ 薄膜 SEM 图；(d)-(f) 晶粒尺寸分布；(g) XPS 谱；(h) 6.5mTorr 样品 O 1s XPS 谱；(i) 4.5mTorr、6.5mTorr、8.5mTorr 生长的 β‑Ga₂O₃ 薄膜中非晶格氧 (O_NL) 比例。

图 10. 750 ℃、7.5 mTorr 固定生长条件下不同厚度的 β‑Ga₂O₃ 薄膜热导率，可观察到明显的热导率尺寸效应。

DOI：

doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.04.339