隨著新能源汽車、高壓電力電子、智能電網以及高頻功率器件的發展，半導體材料正不斷向更高耐壓、更高功率密度方向演進。β-Ga?O?（β-氧化鎵）作為一種典型超寬禁帶半導體，其理論功率器件性能指標（BFOM）有望超過傳統SiC和GaN材料，因此被認為是下一代高壓功率電子的重要候選材料。
然而，β-Ga?O?自身存在一個限制其產業化應用的關鍵問題——熱導率較低。研究表明，其熱導率僅約10–27 W/m·K，并且具有明顯的晶向依賴性。在高電流、高頻工作條件下，器件內部產生的焦耳熱難以及時釋放，容易造成局部溫升、熱應力積累，最終影響器件效率和可靠性。
相比之下，金剛石具有目前已知材料中最高等級的熱導能力，塊體金剛石熱導率可達到2000–2500 W/m·K，被廣泛研究用于高功率電子器件散熱。因此，將β-Ga?O?與金剛石進行異質集成，被認為是解決氧化鎵散熱瓶頸的重要路徑。
不過，β-Ga?O?/金剛石集成并非簡單疊層。金剛石通常通過化學氣相沉積（CVD）方式生長，而這一過程需要高溫和富氫等離子環境，容易導致β-Ga?O?表面退化。同時，兩種材料之間存在晶格失配和熱膨脹系數差異，可能誘發界面缺陷、裂紋以及熱阻增加。因此，如何構建兼具高熱傳輸效率和高機械穩定性的界面，成為該領域的重要挑戰。
論文構建了由藍寶石襯底、外延β-Ga?O?薄膜、中間SiO?或SiC層以及CVD多晶金剛石組成的異質結構。其中，β-Ga?O?薄膜采用液態注入MOCVD方式生長，隨后分別沉積約23 nm厚SiO?層或約50 nm厚SiC層，并在其表面進行金剛石沉積。研究同時比較了納米金剛石成核（NDS）、超聲輔助成核（US）以及聚合物輔助成核（PAS）三種工藝對最終結構性能的影響。
研究發現，中間層材料和金剛石成核方法共同決定了異質結構的性能表現。結構表征結果顯示，不同工藝均能夠實現連續金剛石薄膜生長，且β-Ga?O?層在金剛石沉積過程中保持完整，沒有出現明顯裂紋或宏觀剝離現象，說明SiO?和SiC過渡層能夠有效緩解界面熱應力。
在機械性能方面，SiC表現出更優異的界面結合能力。采用SiC過渡層的樣品臨界剝離載荷達到約17–20 N，而SiO?結構約為6–11 N，表明SiC能夠提供更強的界面結合和更好的熱機械穩定性。
在熱管理方面，SiO?結構表現出更低的熱邊界電阻（TBR）。其中，SiO?結合超聲輔助成核方式獲得最低有效TBR，約47 m2K/GW；而SiC結構的TBR范圍約為72–92 m2K/GW。研究指出，埋藏界面的過渡層以及相關界面質量，是決定整體熱阻的主要因素。
值得注意的是，論文并未直接追求高熱導金剛石厚膜生長，而是關注如何首先構建穩定、高質量的界面。由于低溫CVD條件下形成的納米晶金剛石熱導率較低（約5.5–6.8 W/m·K），其主要作用并非作為最終散熱層，而是保護β-Ga?O?/過渡層界面，并為后續高質量金剛石生長提供基礎。
基于實驗結果，研究團隊提出“兩步式金剛石生長方案”：第一步，在溫和條件下生長約20–50 nm厚納米晶金剛石保護層，用于穩定界面并避免氧化鎵損傷；第二步，再通過傳統高溫微波等離子CVD方式生長具有更高熱導率的微晶金剛石厚層，實現高效散熱。研究認為，薄保護層本身僅貢獻約3–9 m2K/GW熱阻，而真正決定整體熱性能的是底部界面結構。
該研究系統揭示了β-Ga?O?/金剛石異質集成過程中“機械可靠性”和“熱傳輸效率”之間的平衡關系。研究表明，SiC過渡層更適合提升界面強度，而SiO?體系則在降低熱邊界電阻方面具有優勢。通過合理設計過渡層和金剛石生長流程，可以兼顧界面穩定性與散熱需求。
該工作為未來β-Ga?O?二極管、MOSFET等高功率器件采用金剛石散熱方案提供了可擴展的工藝思路，也進一步證明了金剛石不僅能夠作為獨立熱管理材料，還可以通過異質集成方式成為超寬禁帶半導體發展的關鍵支撐平臺。
圖文導讀
圖1. (a) 本文研究的β-Ga?O?/中間層（SiC或SiO?）/金剛石異質結構的示意性橫截面圖。(b) 通過NDS、US和PAS方法制備的金剛石種子層的示意圖。
圖2. β-Ga?O?/金剛石異質結構的XRD譜圖。（a）采用NDS成核法的廣角對稱2θ/ω XRD譜圖示例；（b）GIXRD譜圖，突出了不同層間/成核組合下的金剛石衍射峰。
圖3. 針對不同中間層（SiC和SiO?）與金剛石成核方式（NDS、US和PAS）組合的β-Ga?O?/金剛石異質結構的截面掃描電子顯微鏡（SEM）微觀圖像，詳細展示了β-Ga?O?/金剛石界面：(a) SiC/NDS，(b) SiC/US，(c) SiC/PAS， (d) SiO?/NDS，(e) SiO?/US，(f) SiO?/PAS。
圖4. 具有SiC中間層的β-Ga?O?/金剛石異質結構的截面透射電子顯微鏡圖像。(a) 樣品的明場（BF）圖像。(b) β-Ga?O?/SiC/金剛石界面的高角二色性場（HAADF）圖像，大致對應于圖4(a)中標記的大紅色矩形區域。(c) 通過能譜（EDS）成像采集的、覆蓋圖4(b)中綠色矩形標出的Ga?O?/SiC/金剛石界面區域的積分光譜。(d) 來自(a)中紅色小矩形標出區域的β-Ga?O?/SiC/金剛石界面的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。由白色矩形標出的SiC(O)層對應的FFT結果表明，該層為非晶態。
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