【国际论文】Carbon丨斯洛伐克科学院：突破散热与可靠性瓶颈！β-Ga₂O₃/金刚石异质集成实现界面热阻与粘附协同优化

        由斯洛伐克科学院、捷克科学院、匈牙利 HUN-REN 能源研究中心、英国布里斯托大学、斯洛伐克夸美纽斯大学的研究团队在学术期刊 Carbon 发布了一篇名为 Heterogeneous integration of β-Ga₂O₃ and polycrystalline diamond via SiC and SiO₂ interlayers with optimized adhesion and thermal boundary resistance for power-electronic applications（通过 SiC 和 SiO₂ 中间层实现 β-Ga₂O₃ 与多晶金刚石的异质集成，优化粘合性能和热边界电阻，适用于电力电子应用）的文章。

        β-Ga₂O₃ 凭借超高击穿电场，是下一代高压功率半导体核心材料，但本征各向异性低热导率导致器件大电流工况下结温急剧升高，热应力会诱发界面裂纹、器件提前失效，高效散热方案是其产业化关键瓶颈。金刚石拥有 2000-2500 W/m・K 超高热导率，是理想散热覆层，但直接在 β-Ga₂O₃ 表面生长 CVD 金刚石存在致命缺陷：晶格与热膨胀系数严重失配，且金刚石富氢等离子体环境会刻蚀降解氧化镓薄膜。现有研究仅单一采用 SiO₂ 或 Si 其中一种过渡层，未系统对比两类中间层在界面结合力、热边界阻抗上的权衡关系；同时纳米金刚石、超声、聚合物辅助三种籽晶工艺对界面微观结构、散热性能的耦合影响缺乏完整定量分析，无兼顾强界面附着力与低热阻的标准化两步金刚石生长工艺，缺少适配工业化线性天线微波 CVD 的集成方案，成为氧化镓功率器件热管理领域关键研究空白。

        高效热管理是超宽禁带 β-Ga₂O₃ 器件稳定运行的核心保障，材料本征低热导率限制其大功率工况使用。金刚石具备优异热导率，是极具潜力的散热材料；但受热膨胀、晶格失配以及高温金刚石生长苛刻环境下 β-Ga₂O₃ 薄膜易退化等问题制约，难以制备高质量 β-Ga₂O₃/金刚石异质界面。本研究以 c 面蓝宝石外延 β-Ga₂O₃ 薄膜、化学气相沉积纳米金刚石薄膜、SiO₂ 或 SiC 中间层构建 β-Ga₂O₃/金刚石异质结构，评估纳米金刚石、超声、聚合物辅助三种籽晶工艺对金刚石结晶品质、热边界电阻（TBR）与界面机械结合力的影响。采用 X 射线衍射、电子显微表征、划痕附着力测试、时域热反射测试对所有异质结构开展全面表征。实验结果表明中间层材质与籽晶工艺会显著影响界面品质、力学稳定性与热输运特性；SiO₂ 体系异质结构可实现最低有效热边界电阻（约 47 m²・K/GW），SiC 中间层则拥有更优异的界面机械粘附性能。复合结构总热阻主要由埋置中间层及其相关界面决定。基于上述结论，该团队提出一套优化的两步式 β-Ga₂O₃/金刚石集成工艺，先制备超薄保护性纳米金刚石层，再外延高导热金刚石厚膜；当初始纳米金刚石层厚度控制在 20-50 nm 区间时，其带来的附加热阻仅约 3-9 m²・K/GW。该工艺为后续 β-Ga₂O₃ 基功率器件搭建了优化的界面制备技术平台。

        ①系统对比 SiO₂ 、SiC 两类中间层用于 β-Ga₂O₃/金刚石集成的差异，定量揭示热边界电阻与界面粘附强度的权衡关系。

        ②评估纳米金刚石、超声、聚合物辅助三种工业化籽晶工艺对金刚石结晶度、界面孔洞、面内热输运性能的影响。

        ③证实超声籽晶搭配 SiO₂ 中间层可实现最低 47 m²・K/GW 热边界电阻，Si 中间层划痕临界载荷提升一倍，适配高可靠性封装。

        ④提出可工业化两步金刚石外延方案，20-50 nm 超薄纳米金刚石缓冲层可隔绝等离子体，保护底层 β-Ga₂O₃ 薄膜。

        本研究采用超薄 SiO₂ 、SiC 中间层，结合纳米金刚石（NDS）、超声（US）、聚合物辅助（PAS）三种籽晶工艺，实现液相注入金属有机化学气相沉积制备的 (-201) 取向外延 β-Ga₂O₃ 与线性天线微波化学气相沉积多晶金刚石的异质集成。本研究对关键 β-Ga₂O₃/中间层/金刚石界面展开全面分析，明确了决定复合异质结构综合性能的核心影响因素。

        中间层材质与籽晶工艺共同调控热学性能与力学性能之间的权衡关系。相较于 SiO₂ 中间层（临界载荷约 6-11 N），SiC 中间层可实现更强界面结合力（临界载荷约 17-20 N）；而 SiO₂ 中间层对应的 β-Ga₂O₃/金刚石热边界电阻更低，范围为 47-81 m²・K/GW，SiC 体系热边界电阻为 72-92 m²・K/GW。对于 SiO₂ 体系，超声籽晶方案可获得最低 47 m²・K/GW 的热边界电阻，且界面孔洞缺陷最少，界面综合品质最优。采用温和线性天线微波化学气相沉积条件制备的金刚石薄膜热导率相对较低，约 7 W/m・K，体现其纳米晶本征特征；但该生长条件可在金刚石沉积全过程有效保护底层 β-Ga₂O₃ 薄膜与中间层，同时实现具备竞争力的热边界电阻与优异力学稳定性。

        基于上述实验结果，本研究提出一套明确的两步式金刚石生长工艺，用于后续 β-Ga₂O₃/金刚石器件制备。第一步，在低温温和线性天线微波化学气相沉积环境下，沉积一层厚度 20-50 nm 的连续纳米金刚石薄膜，用以保护 β-Ga₂O₃/中间层叠层结构、形成结合牢固的埋置界面，同时为后续高质量金刚石外延提供形核位点；第二步，采用传统高温微波等离子化学气相沉积工艺，沉积厚层高导热微米金刚石覆层，实现高效横向均热。本研究重点针对第一步界面制备环节开展研究并完成工艺优化。厚度 20-50 nm 的初始纳米金刚石层仅为复合结构引入 3-9 m²・K/GW 的附加热阻，证明中间层及其配套埋置界面是有效热边界电阻的主导来源。本研究制备的复合结构属于经过优化的高品质界面制备基底，为后续采用可规模化、适配工业生产工艺实现 β-Ga₂O₃ 与金刚石集成提供了可行技术路线。

图 1 (a) 本研究制备 β-Ga₂O₃/中间层 (SiC 或 SiO₂)/金刚石异质结构截面示意图；(b) 纳米金刚石、超声、聚合物辅助三种籽晶工艺制备金刚石形核层示意图。

图 2 (a) 纳米金刚石籽晶样品广角对称 2θ/ω X 射线衍射谱；(b) 掠入射 X 射线衍射谱，标注不同中间层、籽晶组合对应的金刚石衍射峰。

图 3 不同中间层（SiC、SiO₂）、不同金刚石籽晶（NDS、US、PAS）组合下 β-Ga₂O₃/金刚石异质结构截面扫描电镜图，详细展示 β-Ga₂O₃/金刚石界面：(a) SiC/纳米金刚石籽晶，(b) SiC/超声籽晶，(c) SiC/聚合物辅助籽晶，(d) SiO₂/纳米金刚石籽晶，(e) SiO₂/超声籽晶，(f) SiO₂/聚合物辅助籽晶。

图 4 含 SiC 中间层 β-Ga₂O₃/金刚石异质结构截面透射电镜图：(a) 样品明场透射图；(b) 对应图 4 (a) 红色大框区域 β-Ga₂O₃/SiC/金刚石界面高角环形暗场图；(c) 图 4 (b) 绿色框标注界面区域 EDS 采集集成能谱；(d) 图 (a) 小红框区域 β-Ga₂O₃/SiC/金刚石界面高分辨透射图，白色框 SiC (O) 层对应的快速傅里叶变换图谱证明该层为非晶相。（图例颜色参考请查阅本文在线版本）

图 5 (a) 所有中间层、籽晶组合样品划痕测试临界载荷柱状图；(b) 激光共聚焦失效分析下 SiC、SiO₂ 中间层典型划痕形貌图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121921