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。