武汉大学袁超课题组在超宽禁带氧化镓热输运领域最新研究进展

近日，武汉大学工业科学研究院袁超课题组和斯洛伐克科学院Filip Gucmann课题组合作，在国际权威期刊《Small》上发表了题为“Phase-Dependent Phonon Heat Transport in Nanoscale Gallium Oxide Thin Films”的研究论文。

超宽禁带材料氧化镓(Ga2O3)具有多种不同相结构：α, β, κ (ε), δ, γ。其中单斜结构β-Ga2O3具有高达~4.9 eV的禁带宽度和~8 MV cm-1的理论击穿场强，从而成为下一代高功率电力电子器件领域的战略性先进电子材料。相关高性能β-Ga2O3基电子器件已经被广泛报道，包括肖特基势垒二极管，太阳能电池，晶体管和日盲紫外光电探测器等。β相Ga2O3 的优势还未探索完全，Ga2O3其他相结构（如α相刚玉型结构和κ相正交型结构，图1a所示）表现出独特的物理性质而逐渐受到电子器件领域的关注。其中α-Ga2O3，具有最大的禁带宽度和最高的理论击穿场强，在日盲紫外探测器和超高压功率电子器件具有广阔的应用前景；同时κ-Ga2O3还具有高介电常数、强压电极化和铁电极化特性，为超宽禁带半导体高频、高功率电子器件和微波射频器件的制备提供新的材料体系。

然而，Ga2O3基电子器件的热问题一直是一个突出问题，部分原因来自于其较低热导率和存在于Ga2O3和异质衬底界面之间的较大界面热阻。因此，了解不同相Ga2O3的热输运性质对器件的热管理和可靠性设计至关重要。但是其晶体结构复杂，缺乏对应声子热输运模型和系统性的实验研究，因此研究不同相纳米级Ga2O3薄膜的热输运性质仍然具有挑战性。

图1 (a) α-、β-和κ-Ga2O3的晶体结构, (b) 瞬态热反射法测量结构示意图, (c)不同相Ga2O3的热导率模型计算结果与实验测试结果, (d) 不同相Ga2O3的随频率变化的累计界面热导

该项成果系统地研究了在蓝宝石(Sapphire)衬底上采用液体注入金属有机化学气相沉积(LI-MOCVD)生长的α-、β-和κ-Ga2O3薄膜(50-150 nm)的热导率和界面热导(界面热阻的倒数)。通过自主研发的高分辨泵浦-探测瞬态热反射表征方法(TTR，如图1b所示)和声子热输运模型，阐明了相结构和厚度对Ga2O3薄膜和Ga2O3/Sapphire界面热输运性质的影响(部分研究结果摘录于图1c和d)。

此外，一个特殊的现象被研究者发现：理论表明体材料下 β-Ga2O3的热导率高于 α-Ga2O3，而实验和理论方法都证明在~100 nm厚度下β-Ga2O3薄膜的热导率反而低于α-Ga2O3薄膜。进一步的理论研究显示β-Ga2O3的声子平均自由程大于α-Ga2O3，长波长声子在纳米尺度上更容易受到边界散射的影响，导致β-Ga2O3薄膜中尺寸效应较α-Ga2O3更明显。~100 nm的薄膜厚度下，β-Ga2O3的热导率仅为块体值的2/5左右，而α-Ga2O3的热导率达到了块体值的3/5左右。

该研究对Ga2O3薄膜和界面声子输运机制进行了深入研究，对Ga2O3器件设计和热管理具有重要指导意义。此外，还展示了瞬态热反射表征方法在芯片级热物性检测领域的强大能力。鉴于多相材料中热输运的复杂性和重要性，这项工作为未来加速探索其他重要多相材料(如碳基、碳化硅基等)的热输运机理提供了一个新的视角。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202309961

论文详情：X. Xiao, Y. Mao, B. Meng, G. Ma, K. Hušeková, F. Egyenes, A. Rosová,E. Dobročka, P. Eliáš, M. Ťapajna, F. Gucmann*, and C. Yuan*, Phase-Dependent Phonon Heat Transport in Nanoscale Gallium Oxide Thin Films. Small 2023, 2309961. https://doi.org/10.1002/smll.202309961. 论文第一作者为武汉大学工业科学研究院博士生肖兴林，通讯作者为武汉大学工业科学研究院袁超研究员和斯洛伐克科学院Filip Gucmann研究员。

课题组简介

武汉大学袁超课题组长期从事宽禁带半导体热表征和热管理研究工作，在薄膜尺度热反射表征方法、声子热输运理论、以及(超)宽禁带半导体器件设计等领域具有一定的技术优势和科研特色，并致力于开发半导体无损热检测装备。现承担多个国家/省部/国际合作级重大战略需求的纵向科研项目，长期和国内外知名半导体集成电路企业和机构合作。

来源：武汉大学工业科学研究院袁超课题组 供稿

审核编辑：刘清