近日，武漢大學工業(yè)科學研究院袁超課題組和斯洛伐克科學院FilipGucmann課題組合作，在國際權(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~4.9 eV的禁帶寬度和~8 MV cm-1的理論擊穿場強，從而成為下一代高功率電力電子器件領(lǐng)域的戰(zhàn)略性先進電子材料。相關(guān)高性能β-Ga2O3基電子器件已經(jīng)被廣泛報道，包括肖特基勢壘二極管，太陽能電池，晶體管和日盲紫外光電探測器等。β相Ga2O3 的優(yōu)勢還未探索完全，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強，在日盲紫外探測器和超高壓功率電子器件具有廣闊的應用前景；同時κ-Ga2O3還具有高介電常數(shù)、強壓電極化和鐵電極化特性，為超寬禁帶半導體高頻、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基電子器件的熱問題一直是一個突出問題，部分原因來自于其較低熱導率和存在于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的熱輸運性質(zhì)對器件的熱管理和可靠性設(shè)計至關(guān)重要。但是其晶體結(jié)構(gòu)復雜，缺乏對應聲子熱輸運模型和系統(tǒng)性的實驗研究，因此研究不同相納米級Ga2O3薄膜的熱輸運性質(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)熱反射法測量結(jié)構(gòu)示意圖, (c)不同相Ga2O3的熱導率模型計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果, (d)不同相Ga2O3的隨頻率變化的累計界面熱導

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

此外，一個特殊的現(xiàn)象被研究者發(fā)現(xiàn)：理論表明體材料下β-Ga2O3的熱導率高于α-Ga2O3，而實驗和理論方法都證明在~100 nm厚度下β-Ga2O3薄膜的熱導率反而低于α-Ga2O3薄膜。進一步的理論研究顯示β-Ga2O3的聲子平均自由程大于α-Ga2O3，長波長聲子在納米尺度上更容易受到邊界散射的影響，導致β-Ga2O3薄膜中尺寸效應較α-Ga2O3更明顯。~100 nm的薄膜厚度下，β-Ga2O3的熱導率僅為塊體值的2/5左右，而α-Ga2O3的熱導率達到了塊體值的3/5左右。

該研究對Ga2O3薄膜和界面聲子輸運機制進行了深入研究，對Ga2O3器件設(shè)計和熱管理具有重要指導意義。此外，還展示了瞬態(tài)熱反射表征方法在芯片級熱物性檢測領(lǐng)域的強大能力。鑒于多相材料中熱輸運的復雜性和重要性，這項工作為未來加速探索其他重要多相材料(如碳基、碳化硅基等)的熱輸運機理提供了一個新的視角。

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工業(yè)科學研究院博士生肖興林，通訊作者為武漢大學工業(yè)科學研究院袁超研究員和斯洛伐克科學院FilipGucmann研究員。

課題組簡介

武漢大學袁超課題組長期從事寬禁帶半導體熱表征和熱管理研究工作，在薄膜尺度熱反射表征方法、聲子熱輸運理論、以及(超)寬禁帶半導體器件設(shè)計等領(lǐng)域具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和科研特色，并致力于開發(fā)半導體無損熱檢測裝備?，F(xiàn)承擔多個國家/省部/國際合作級重大戰(zhàn)略需求的縱向科研項目，長期和國內(nèi)外知名半導體集成電路企業(yè)和機構(gòu)合作。

來源：武漢大學工業(yè)科學研究院袁超課題組 供稿

審核編輯：劉清