β-Ga?O?作為一種新興的超寬禁帶（UWBG）半導體材料，具有約4.8 eV的禁帶寬度、高臨界電場和優異的Baliga優值，在高功率、高頻電子器件領域展現出巨大潛力。其襯底可通過熔體生長實現低成本、大面積制備。然而，β-Ga?O?的熱導率較低（11-27 W/m·K），導致器件自熱效應顯著，限制了輸出功率密度和可靠性。
金剛石因其極高的熱導率（約2000 W/m·K）而成為理想的熱管理材料，但在β-Ga?O?上直接生長高質量金剛石薄膜面臨表面能失配、熱應力、襯底分解以及界面結合差等挑戰。傳統方法如納米顆粒籽晶或緩沖層雖有嘗試，但往往引入額外熱阻或無法徹底解決附著與成核問題。
近日，來自美國德克薩斯州立大學的研究團隊，提出利用Q-carbon（淬火碳）中間層實現β-Ga?O?表面高質量金剛石薄膜直接生長的新方案。相關成果發表在期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 上，題為《Direct fabrication of diamond films on β-Ga?O? using Q-carbon》。
研究框架與核心思路
論文的研究思路清晰：首先在c-Al?O?襯底上通過脈沖激光沉積（PLD）制備高質量β-Ga?O?薄膜，隨后沉積非晶碳（DLC）層，再采用納秒脈沖激光退火（PLA）在β-Ga?O?表面原位形成Q-carbon中間層，最后利用熱絲化學氣相沉積（HFCVD）生長金剛石薄膜。
Q-carbon是通過超快激光熔化與極端過冷條件下形成的亞穩態碳相，富含sp3鍵合的類金剛石四面體結構，具有高成核密度和與襯底的良好界面結合能力。研究者通過模擬激光-材料相互作用（SLIM）優化激光能量密度（約0.4 J/cm2），實現可控的熔體再生長速度（約12.5 m/s），從而形成均勻的Q-carbon層。該層不僅解決了表面能失配導致的島狀生長問題，還在HFCVD過程中促進原子氫對sp2碳的刻蝕，加速高質量金剛石的成核與柱狀生長，同時緩解熱失配應力，避免薄膜開裂或剝離。
主要發現與結論
實驗結果顯示，利用Q-carbon籽層生長的金剛石薄膜呈現出尖銳的1332.6 cm?1拉曼特征峰（FWHM僅9.28 cm?1），石墨相含量低，晶體質量高，并形成具有五重孿晶的良好刻面結構。相比直接在β-Ga?O?或藍寶石上生長的金剛石薄膜，應力降低了約70%-75%，薄膜附著力顯著提升，未觀察到明顯剝離。橫截面分析進一步證實了柱狀金剛石結構的形成，這有助于熱量高效傳導。模擬結果與實驗參數良好吻合，驗證了Q-carbon形成的物理機制。
論文結論指出，Q-carbon中間層為β-Ga?O?上金剛石集成提供了一種簡便、經濟且有效的途徑。它克服了傳統籽晶法或緩沖層的局限性，在不顯著增加界面熱阻的前提下實現了大面積、連續、高質量金剛石薄膜的制備。該方法有望推動β-Ga?O?基高功率器件的前側熱管理應用，并為其他超寬禁帶半導體與金剛石的異質集成提供參考。
研究意義
這一工作在超寬禁帶功率電子領域具有重要意義。通過有效解決熱管理瓶頸，它為提升β-Ga?O?器件的功率密度、可靠性和工作溫度范圍奠定了基礎。同時，Q-carbon作為通用成核層的技術潛力，也為金剛石在更多非碳化物襯底上的應用打開了新思路。未來，該技術有望與器件工藝進一步融合，助力下一代高性能功率電子和光電器件的實現。
圖1. (a) 在650 ℃ 生長溫度下生長于c-藍寶石襯底上的β-Ga?O?薄膜的XRD 2θ?ω掃描譜圖，以及 (b) 顯示PLD法生長β-Ga?O?薄膜粗糙度的2D和3D AFM圖像。
圖2. (a) 掃描電子顯微鏡（SEM）微觀圖像顯示PLA處理后β-Ga?O?表面形成大面積Q-碳；(b) 形成Q-碳絲狀結構，其側壁存在早期形成的Q-碳區域；(c) 被深色α-碳區域包圍的Q-碳絲狀結構的高倍放大圖； (d) 在相同的PLA能量密度區域內觀察到的不同裂紋寬度；(e) AFM圖像顯示薄膜上Q-碳和α-碳區域的高度差異；(f) 線形和深度剖面圖顯示Q-碳和α-碳相的厚度變化。
圖3. (a) 激光照射區域的掃描電子顯微鏡（SEM）微觀圖像，顯示了Q碳和納米金剛石的收縮；(b) 經過多次激光照射后，纖維開始斷裂；(c) 520度傾斜角度下的SEM圖像，顯示了整個纖維區域納米金剛石的形成； (d) & (e) 該整體金剛石結構的520°傾斜圖像，以及不同放大倍率的圖像和從200 nm到500 nm不同尺寸范圍的納米金剛石俯視圖；(f) 受照區域的拉曼光譜，其中納米金剛石峰位于1320 cm?1。由于周圍區域存在非晶碳區域，D峰和G峰也十分明顯。
