研究背景与目标
β-Ga₂O₃（β相氧化镓）是一种超宽带隙半导体材料，因其高击穿场强、高电子饱和速度等特性，在高压功率器件领域具有广阔的应用前景。然而，β-Ga₂O₃的低热导率（<27 W/(m·K)）限制了其在高温环境下的应用。为了改善其热管理性能，研究者尝试将β-Ga₂O₃与高热导率材料（如AlN）集成。本文通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备了高质量的β-Ga₂O₃/AlN异质结，并对其热传输特性进行了详细研究。
TDTR测试的重要性
时域热反射（TDTR）技术是一种强大的非接触式测量方法，能够精确测量薄膜材料的热导率以及异质结构界面的热导。TDTR技术通过超短脉冲激光激发样品表面，产生瞬态热脉冲，并通过探测反射光的变化来分析热传输特性。该技术特别适用于薄膜和异质结构材料的热特性研究，因为它能够在纳米尺度上解析热传输过程，同时避免了传统热测量方法中常见的接触热阻问题。
在本研究中，TDTR测试是评估β-Ga₂O₃/AlN异质结热管理能力的关键手段。通过TDTR测试，研究者能够：
精确测量β-Ga₂O₃薄膜的热导率，从而评估其自身的热传输能力。
确定β-Ga₂O₃/AlN界面的热导，这对于理解异质结界面的热传输效率至关重要。
比较不同材料组合（如β-Ga₂O₃/AlN、β-Ga₂O₃/Diamond、β-Ga₂O₃/SiC）的热传输性能，从而为功率器件的设计提供理论依据。
TDTR测试方法与结果
测试方法
TDTR测试使用了PIONEER-ONE系统，该系统配备了飞秒光纤激光器（波长1064 nm，脉冲宽度100 fs，调制频率1 MHz，重复率80 MHz）。测试中，激光束通过半波片和偏振分束器分为泵浦光和探测光，两束光通过冷镜合并后聚焦在样品表面。通过控制光斑宽度，确保一维热传输。实验中，分别测量了3层结构（Al/β-Ga₂O₃/蓝宝石）和4层结构（Al/β-Ga₂O₃/AlN/蓝宝石）样品，以分离β-Ga₂O₃薄膜的热导率和β-Ga₂O₃/AlN界面的热导。
测试结果
β-Ga₂O₃薄膜的热导率：通过TDTR测试，测得β-Ga₂O₃薄膜的热导率为4.2 W/(m·K)。这一结果表明，尽管β-Ga₂O₃的热导率较低，但通过与AlN集成，可以显著改善其热管理能力。
β-Ga₂O₃/AlN界面的热导：测得β-Ga₂O₃/AlN界面的热导为118.6 MW/(m²·K)。这一值远高于其他材料组合（如β-Ga₂O₃/Diamond和β-Ga₂O₃/SiC），表明AlN衬底在热管理方面具有显著优势。
热特性对比：与文献中报道的其他异质结构相比，β-Ga₂O₃/AlN异质结展现出更优异的热性能。例如，β-Ga₂O₃/Diamond异质结的界面热导仅为42 MW/(m²·K)，而β-Ga₂O₃/SiC异质结的界面热导也较低。这表明AlN衬底能够有效降低界面热阻，提高热传输效率。
TDTR测试结果的意义
TDTR测试结果表明，通过在β-Ga₂O₃薄膜与AlN衬底之间形成高质量的异质结界面，可以显著提高热传输效率。这一发现对于解决β-Ga₂O₃材料的热管理问题具有重要意义，尤其是在高温环境下工作的功率器件中。通过优化异质结界面的热传输特性，可以有效降低器件的自热效应，提高其可靠性和性能。
关键结论
高质量异质结的制备：通过MOCVD技术成功制备了高质量的β-Ga₂O₃/AlN异质结，具有优异的界面质量和热管理能力。
热导率与界面热导的测量：TDTR测试结果显示，β-Ga₂O₃薄膜的热导率为4.2 W/(m·K)，β-Ga₂O₃/AlN界面的热导为118.6 MW/(m²·K)，表明AlN衬底在热管理方面具有显著优势。
热管理能力的提升：与文献中报道的其他异质结构相比，β-Ga₂O₃/AlN异质结展现出更优异的热性能，这对于开发高性能功率器件具有重要意义。
电学性能的验证：β-Ga₂O₃/AlN肖特基势垒二极管（SBD）展现出低开启电压（0.1 V）、理想因子为4.22、修正后的里查森常数为48.5 A/cm²K²，以及高达1260 V的高击穿电压，进一步证明了该异质结在高温环境下的良好工作能力。
未来研究方向
尽管本文展示了β-Ga₂O₃/AlN异质结在热管理和电学性能方面的潜力，但仍有一些改进空间。未来的研究方向可能包括：
进一步优化异质结界面：通过调整生长条件或引入其他材料，进一步降低界面热阻，提高热传输效率。
掺杂与器件结构优化：通过适当的掺杂或新型器件结构设计，进一步降低器件的开启电压和理想因子，提高其在高温环境下的性能。
实际应用验证：将这种异质结应用于实际的功率器件中，验证其在工业环境中的可靠性和性能。
通过TDTR测试，本文不仅揭示了β-Ga₂O₃/AlN异质结的热传输特性，还为解决β-Ga₂O₃材料的热管理问题提供了重要的实验依据。这一研究为开发高性能功率器件奠定了坚实的基础。
