背景介绍
β-Ga₂O₃因超宽禁带（4.8 eV）与高临界电场（8 MV cm⁻¹），在功率射频器件领域潜力巨大，但其极低的热导率（11–27 W m⁻¹ K⁻¹）导致高功率下自热效应严重（沟道温升可超1500 ℃），成为商业化瓶颈。将β-Ga₂O₃异质集成于高导热SiC衬底是优化热管理的主流方向。相比晶圆键合，直接外延生长可避免界面热阻高、厚度控制难等问题，且SiC晶格失配较小。然而，当前对亚微米级β-Ga₂O₃薄膜的声子输运、界面热导及冷却极限研究不足，制约了热设计优化。因此，亟需开发精准热表征方法，揭示热输运机制，明确器件冷却极限，以推动其应用发展。
研究成果
近日，成均馆大学 Jungwan Cho 教授与韩国陶瓷工程技术研究院 Dae-Woo Jeon教授团队在宽禁带半导体异质结构热输运领域取得突破性进展，系统研究了 SiC 衬底上亚微米级异质外延 β-Ga₂O₃薄膜的声子热输运特性与器件冷却极限，相关成果揭示了薄膜厚度、结晶性对热导率的调控规律，以及 β-Ga₂O₃/SiC 界面的高效热输运机制，为 β-Ga₂O₃器件的热管理优化提供了全新理论与实验依据。研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在 4H-SiC 与 c 面蓝宝石衬底上制备了 0.1–1 μm 厚度的 β-Ga₂O₃外延薄膜，利用频域热反射法（FDTR）精准表征了薄膜的跨面热导率与界面热导，结合扫描透射电镜（STEM）、能谱分析（EDS）与 X 射线衍射（XRD）揭示了界面结构与薄膜结晶性特征，并通过半经典声子输运理论与有限元器件热建模，明确了 β-Ga₂O₃/SiC 异质集成器件的 phononic 冷却极限。研究发现，β-Ga₂O₃薄膜热导率与厚度、结晶性密切相关，0.1 μm 厚薄膜的热导率达到同厚度报道的最高值；β-Ga₂O₃/SiC 界面展现出～90 MW m⁻² K⁻¹ 的高界面热导，远优于传统键合方法制备的 β-Ga₂O₃/SiC 与 β-Ga₂O₃/ 金刚石界面，STEM/EDS 分析证实该异质界面具有结构与成分的锐变性，无明显元素互扩散与非晶层。半经典声子输运理论成功揭示了声子边界散射、缺陷散射对薄膜热导率的调控机制，而基于实验数据的器件热建模表明，将 β-Ga₂O₃薄膜厚度降至～0.1 μm 时，SiC 异质集成的横向 β-Ga₂O₃晶体管的热性能可媲美甚至超越当前最先进的 GaN 器件，功率密度可达 10.8 W mm⁻¹，热阻低至 16.5 mm K W⁻¹。该研究为超宽禁带 β-Ga₂O₃功率器件的热管理设计提供了合理的优化策略，为其在高功率电子领域的应用奠定了关键基础。相关研究成果以 “Phonon Thermal Transport and Cooling Limits in Submicron Heteroepitaxial β-Ga₂O₃ Films on SiC” 为题，发表在材料领域顶刊《Acta Materialia》上。
图文速览
图1. (a) 4H-SiC 与 c 面蓝宝石衬底上 MOCVD 生长β-Ga₂O₃薄膜的截面示意图及0.1 μm β-Ga₂O₃/SiC 的代表性截面TEM图像；(b-e) FDTR 测量对 β-Ga₂O₃薄膜热导率（kGa₂O₃）及上下界面热导（TBCAl/Ga₂O₃、TBCGa₂O₃/Substrate）的灵敏度曲线，其中 b、c 为 0.1 μm 和 1 μm β-Ga₂O₃/SiC，d、e 为 0.1 μm 和 1 μm β-Ga₂O₃/ 蓝宝石。
图2. β-Ga₂O₃薄膜的 XRD 表征。(a,b) 分别为 4H-SiC 和 c 面蓝宝石衬底上 β-Ga₂O₃薄膜的 XRD 2θ 扫描曲线，清晰识别出 β-Ga₂O₃（2̅01）、（4̅02）、（6̅03）特征峰及衬底特征峰，证实薄膜为单一（2̅01）取向；(c,d) 分别为 0.1 μm 和 1 μm β-Ga₂O₃/SiC 薄膜（4̅02）峰的 XRD 摇摆曲线，半高宽（FWHM）分别为 1.14° 和 2.20°，表明薄膜结晶性随厚度增加而下降。
图3. β-Ga₂O₃/SiC 异质界面的高分辨结构与成分表征。(a) β-Ga₂O₃/SiC 界面的高分辨 TEM（HR-TEM）图像，显示界面锐变无三维岛状生长，插图为 β-Ga₂O₃和 4H-SiC 的快速傅里叶变换（FFT）图案，证实薄膜（2̅01）与衬底（0001）的外延关系；(b) β-Ga₂O₃薄膜的 HR-TEM 图像，清晰观察到（2̅01）晶格条纹（层间距 0.465 nm）及与（100）面 126° 的夹角，符合单斜晶系结构特征；(c) β-Ga₂O₃/SiC 界面的高角环形暗场（HAADF）-STEM 图像，显示界面衬度锐变；(d-f) Ga、O、Si 的 EDS 元素 mapping，证实元素严格限域在各自层内，界面无明显元素互扩散。
图4. 4H-SiC 衬底上不同厚度 β-Ga₂O₃薄膜的 FDTR 相位实验数据与热模型拟合曲线，0.1 μm、0.4 μm、1 μm 薄膜的拟合曲线与实验数据高度吻合，证实热模型的可靠性与测量精度。
图5. 室温下（2̅01）取向 β-Ga₂O₃薄膜跨面热导率随厚度的变化关系。本研究制备的 SiC / 蓝宝石衬底上 β-Ga₂O₃薄膜（实心方块）与文献报道数据（空心标记）对比，同时展示了体相 β-Ga₂O₃热导率、非晶 Ga₂O₃最小热导率，以及不同 Sn 掺杂浓度下的声子热输运模型预测曲线（黑色虚线），表明薄膜热导率随厚度增加而升高，且受缺陷散射显著调控，0.1 μm 薄膜热导率为同厚度报道最高值。
图 6. 室温下 β-Ga₂O₃与蓝宝石、SiC、金刚石三种衬底的界面热导对比。本研究测量数据（实心方块）与文献报道数据（空心标记）对比，同时展示了漫反射失配模型（DMM）的理论预测值（红色虚线，界面热导理论上限），表明外延生长的 β-Ga₂O₃/ 衬底界面热导远高于键合方法制备的界面，β-Ga₂O₃/SiC 界面热导达～90 MW m⁻² K⁻¹，接近外延制备的 β-Ga₂O₃/ 蓝宝石界面。
图7. 横向 β-Ga₂O₃多指晶体管的有限元热建模与性能分析。(a）模拟器件的结构示意图，包含 10 个栅指，Ga₂O₃层厚度可变，热生成区为矩形表面加热器，衬底底部为等温边界，其余表面为自然对流；(b）1 μm β-Ga₂O₃/SiC 器件的代表性有限元网格与稳态温度分布；(c）不同 β-Ga₂O₃异质结构器件的最高温度（左纵轴）与热阻（右纵轴）对比，本研究 0.1 μm β-Ga₂O₃/SiC 器件展现出最低热阻，优于已报道的 β-Ga₂O₃/SiC 和 β-Ga₂O₃/ 金刚石异质结构。
图8. β-Ga₂O₃/SiC 器件与同质外延 β-Ga₂O₃器件的热性能对比。(a) 不同厚度 β-Ga₂O₃/SiC 器件的最高温度随耗散功率密度的变化，同时展示了理想结晶取向的 0.1 μm β-Ga₂O₃/SiC 器件预测曲线，200 ℃安全结温为性能上限；(b) 不同器件的最大可承受功率密度（Pmax）对比，0.1 μm β-Ga₂O₃/SiC 器件 Pmax 达 8.2 W mm⁻¹，理想取向时可达 10.8 W mm⁻¹，较同质外延器件提升约 16 倍；(c) 不同器件的热阻（Rth）对比，0.1 μm β-Ga₂O₃/SiC 器件 Rth为 21.7 mm K W⁻¹，理想取向时低至 16.5 mm K W⁻¹，媲美甚至超越 GaN-on-SiC/GaN-on - 金刚石器件。
来源：热管理实验室
Acta Materialia ( IF:9.3 )
链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122020