【国际论文】美国德克萨斯州立大学：超宽禁带材料的终极组合，氧化镓&金刚石实现共生突破解决热管理瓶颈

日期：2026-05-20阅读：75

β-Ga₂O₃作为一种新兴的超宽禁带（UWBG）半导体材料，具有约4.8 eV的禁带宽度、高临界电场和优异的Baliga优值，在高功率、高频电子器件领域展现出巨大潜力。其衬底可通过熔体生长实现低成本、大面积制备。然而，β-Ga₂O₃的热导率较低（11-27 W/m·K），导致器件自热效应显著，限制了输出功率密度和可靠性。

金刚石因其极高的热导率（约2000 W/m·K）而成为理想的热管理材料，但在β-Ga₂O₃上直接生长高质量金刚石薄膜面临表面能失配、热应力、衬底分解以及界面结合差等挑战。传统方法如纳米颗粒籽晶或缓冲层虽有尝试，但往往引入额外热阻或无法彻底解决附着与成核问题。

近日，来自美国德克萨斯州立大学的研究团队，提出利用Q-carbon（淬火碳）中间层实现β-Ga₂O₃表面高质量金刚石薄膜直接生长的新方案。相关成果发表在期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 上，题为《Direct fabrication of diamond films on β-Ga₂O₃ using Q-carbon》。

研究框架与核心思路

论文的研究思路清晰：首先在c-Al₂O₃衬底上通过脉冲激光沉积（PLD）制备高质量β-Ga₂O₃薄膜，随后沉积非晶碳（DLC）层，再采用纳秒脉冲激光退火（PLA）在β-Ga₂O₃表面原位形成Q-carbon中间层，最后利用热丝化学气相沉积（HFCVD）生长金刚石薄膜。

Q-carbon是通过超快激光熔化与极端过冷条件下形成的亚稳态碳相，富含sp³键合的类金刚石四面体结构，具有高成核密度和与衬底的良好界面结合能力。研究者通过模拟激光-材料相互作用（SLIM）优化激光能量密度（约0.4 J/cm²），实现可控的熔体再生长速度（约12.5 m/s），从而形成均匀的Q-carbon层。该层不仅解决了表面能失配导致的岛状生长问题，还在HFCVD过程中促进原子氢对sp²碳的刻蚀，加速高质量金刚石的成核与柱状生长，同时缓解热失配应力，避免薄膜开裂或剥离。

主要发现与结论

实验结果显示，利用Q-carbon籽层生长的金刚石薄膜呈现出尖锐的1332.6 cm⁻¹拉曼特征峰（FWHM仅9.28 cm⁻¹），石墨相含量低，晶体质量高，并形成具有五重孪晶的良好刻面结构。相比直接在β-Ga₂O₃或蓝宝石上生长的金刚石薄膜，应力降低了约70%-75%，薄膜附着力显著提升，未观察到明显剥离。横截面分析进一步证实了柱状金刚石结构的形成，这有助于热量高效传导。模拟结果与实验参数良好吻合，验证了Q-carbon形成的物理机制。

论文结论指出，Q-carbon中间层为β-Ga₂O₃上金刚石集成提供了一种简便、经济且有效的途径。它克服了传统籽晶法或缓冲层的局限性，在不显著增加界面热阻的前提下实现了大面积、连续、高质量金刚石薄膜的制备。该方法有望推动β-Ga₂O₃基高功率器件的前侧热管理应用，并为其他超宽禁带半导体与金刚石的异质集成提供参考。

研究意义

这一工作在超宽禁带功率电子领域具有重要意义。通过有效解决热管理瓶颈，它为提升β-Ga₂O₃器件的功率密度、可靠性和工作温度范围奠定了基础。同时，Q-carbon作为通用成核层的技术潜力，也为金刚石在更多非碳化物衬底上的应用打开了新思路。未来，该技术有望与器件工艺进一步融合，助力下一代高性能功率电子和光电器件的实现。

图文导读

图1. (a) 在650 ℃ 生长温度下生长于c-蓝宝石衬底上的β-Ga₂O₃薄膜的XRD 2θ−ω扫描谱图，以及 (b) 显示PLD法生长β-Ga₂O₃薄膜粗糙度的2D和3D AFM图像。

图2. (a) 扫描电子显微镜（SEM）微观图像显示PLA处理后β-Ga₂O₃表面形成大面积Q-碳；(b) 形成Q-碳丝状结构，其侧壁存在早期形成的Q-碳区域；(c) 被深色α-碳区域包围的Q-碳丝状结构的高倍放大图； (d) 在相同的PLA能量密度区域内观察到的不同裂纹宽度；(e) AFM图像显示薄膜上Q-碳和α-碳区域的高度差异；(f) 线形和深度剖面图显示Q-碳和α-碳相的厚度变化。

图3. (a) 激光照射区域的扫描电子显微镜（SEM）微观图像，显示了Q碳和纳米金刚石的收缩；(b) 经过多次激光照射后，纤维开始断裂；(c) 520度倾斜角度下的SEM图像，显示了整个纤维区域纳米金刚石的形成； (d) & (e) 该整体金刚石结构的520°倾斜图像，以及不同放大倍率的图像和从200 nm到500 nm不同尺寸范围的纳米金刚石俯视图；(f) 受照区域的拉曼光谱，其中纳米金刚石峰位于1320 cm−1。由于周围区域存在非晶碳区域，D峰和G峰也十分明显。