武漢大學(xué)袁超課題組在超寬禁帶氧化鎵熱輸運(yùn)領(lǐng)域最新研究進(jìn)展

近日，武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組和斯洛伐克科學(xué)院FilipGucmann課題組合作，在國(guó)際權(quán)威期刊《Small》上發(fā)表了題為“Phase-Dependent Phonon Heat Transport in Nanoscale Gallium Oxide Thin Films”的研究論文。

超寬禁帶材料氧化鎵(Ga2O3)具有多種不同相結(jié)構(gòu)：α, β, κ (ε), δ, γ。其中單斜結(jié)構(gòu)β-Ga2O3具有高達(dá)~4.9 eV的禁帶寬度和~8 MV cm-1的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)，從而成為下一代高功率電力電子器件領(lǐng)域的戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料。相關(guān)高性能β-Ga2O3基電子器件已經(jīng)被廣泛報(bào)道，包括肖特基勢(shì)壘二極管，太陽(yáng)能電池，晶體管和日盲紫外光電探測(cè)器等。β相Ga2O3 的優(yōu)勢(shì)還未探索完全，Ga2O3其他相結(jié)構(gòu)（如α相剛玉型結(jié)構(gòu)和κ相正交型結(jié)構(gòu)，圖1a所示）表現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)而逐漸受到電子器件領(lǐng)域的關(guān)注。其中α-Ga2O3，具有最大的禁帶寬度和最高的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在日盲紫外探測(cè)器和超高壓功率電子器件具有廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)κ-Ga2O3還具有高介電常數(shù)、強(qiáng)壓電極化和鐵電極化特性，為超寬禁帶半導(dǎo)體高頻、高功率電子器件和微波射頻器件的制備提供新的材料體系。

然而，Ga2O3基電子器件的熱問(wèn)題一直是一個(gè)突出問(wèn)題，部分原因來(lái)自于其較低熱導(dǎo)率和存在于Ga2O3和異質(zhì)襯底界面之間的較大界面熱阻。因此，了解不同相Ga2O3的熱輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)器件的熱管理和可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。但是其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏對(duì)應(yīng)聲子熱輸運(yùn)模型和系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究，因此研究不同相納米級(jí)Ga2O3薄膜的熱輸運(yùn)性質(zhì)仍然具有挑戰(zhàn)性。

圖1(a)α-、β-和κ-Ga2O3的晶體結(jié)構(gòu), (b) 瞬態(tài)熱反射法測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖, (c)不同相Ga2O3的熱導(dǎo)率模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果, (d)不同相Ga2O3的隨頻率變化的累計(jì)界面熱導(dǎo)

該項(xiàng)成果系統(tǒng)地研究了在藍(lán)寶石(Sapphire)襯底上采用液體注入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(LI-MOCVD)生長(zhǎng)的α-、β-和κ-Ga2O3薄膜(50-150 nm)的熱導(dǎo)率和界面熱導(dǎo)(界面熱阻的倒數(shù))。通過(guò)自主研發(fā)的高分辨泵浦-探測(cè)瞬態(tài)熱反射表征方法(TTR，如圖1b所示)和聲子熱輸運(yùn)模型，闡明了相結(jié)構(gòu)和厚度對(duì)Ga2O3薄膜和Ga2O3/Sapphire界面熱輸運(yùn)性質(zhì)的影響(部分研究結(jié)果摘錄于圖1c和d)。

此外，一個(gè)特殊的現(xiàn)象被研究者發(fā)現(xiàn)：理論表明體材料下β-Ga2O3的熱導(dǎo)率高于α-Ga2O3，而實(shí)驗(yàn)和理論方法都證明在~100 nm厚度下β-Ga2O3薄膜的熱導(dǎo)率反而低于α-Ga2O3薄膜。進(jìn)一步的理論研究顯示β-Ga2O3的聲子平均自由程大于α-Ga2O3，長(zhǎng)波長(zhǎng)聲子在納米尺度上更容易受到邊界散射的影響，導(dǎo)致β-Ga2O3薄膜中尺寸效應(yīng)較α-Ga2O3更明顯。~100 nm的薄膜厚度下，β-Ga2O3的熱導(dǎo)率僅為塊體值的2/5左右，而α-Ga2O3的熱導(dǎo)率達(dá)到了塊體值的3/5左右。

該研究對(duì)Ga2O3薄膜和界面聲子輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了深入研究，對(duì)Ga2O3器件設(shè)計(jì)和熱管理具有重要指導(dǎo)意義。此外，還展示了瞬態(tài)熱反射表征方法在芯片級(jí)熱物性檢測(cè)領(lǐng)域的強(qiáng)大能力。鑒于多相材料中熱輸運(yùn)的復(fù)雜性和重要性，這項(xiàng)工作為未來(lái)加速探索其他重要多相材料(如碳基、碳化硅基等)的熱輸運(yùn)機(jī)理提供了一個(gè)新的視角。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202309961

論文詳情：X. Xiao, Y. Mao, B. Meng, G. Ma, K. Hu?eková, F. Egyenes, A. Rosová,E. Dobro?ka, P. Eliá?, M. ?apajna, 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. 論文第一作者為武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院博士生肖興林，通訊作者為武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超研究員和斯洛伐克科學(xué)院FilipGucmann研究員。

課題組簡(jiǎn)介

武漢大學(xué)袁超課題組長(zhǎng)期從事寬禁帶半導(dǎo)體熱表征和熱管理研究工作，在薄膜尺度熱反射表征方法、聲子熱輸運(yùn)理論、以及(超)寬禁帶半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和科研特色，并致力于開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體無(wú)損熱檢測(cè)裝備?，F(xiàn)承擔(dān)多個(gè)國(guó)家/省部/國(guó)際合作級(jí)重大戰(zhàn)略需求的縱向科研項(xiàng)目，長(zhǎng)期和國(guó)內(nèi)外知名半導(dǎo)體集成電路企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作。

來(lái)源：武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組 供稿

審核編輯：劉清