近日，复旦大学宽禁带半导体与未来照明研究所的Lin Gu及其团队在《Applied Surface Science》期刊上发表了题为《Investigation of gallium oxide thin film hetero-integrated with bulk diamond via atomic layer deposition》的研究论文。该研究通过原子层沉积（ALD）方法在多晶金刚石基底上制备了氧化镓（Ga2O3）薄膜，并系统分析了其物理、化学和光学特性，为Ga2O3/金刚石异质集成在高功率电子器件中的应用提供了重要参考。
本研究深入探讨了通过原子层沉积（ALD）在金刚石基底上制备Ga2O3薄膜后形成的异质结构特性。X射线衍射（XRD）分析表明，Ga2O3薄膜为非晶态，金刚石基底为多晶结构。原子力显微镜（AFM）映射显示，Ga2O3薄膜和金刚石基底表面极为光滑，粗糙度分别为0.184 nm和0.508 nm。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，金刚石表面形成明显晶粒，而薄膜表面存在较小晶粒。光学特性通过光谱椭圆仪（SE）和紫外/可见/近红外（UV/Vis/NIR）分光光度计进行分析。拉曼光谱显示出明显的金刚石相关（sp3）峰，并在1350–1620 cm⁻¹区域出现极弱的膨胀带。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，Ga2O3/金刚石异质结为错配型（II型）能带对齐，价带和导带偏移分别为1.18 eV和2.09 eV。此外，基于时间域热反射（TDTR）测量，Ga2O3薄膜的热导率为5.13 W/(m·K)，异质界面的热边界导热率为19.22 MW/(m²·K)。这些发现不仅证明了Ga2O3与金刚石异质集成的可行性，还为未来基于Ga2O3/金刚石的器件设计和物理分析提供了新的前景。
结论：
本报告通过ALD方法制备了Ga2O3/金刚石异质结。在实验前，通过密度泛函理论（DFT）计算描述了Ga2O3和金刚石的能带结构及态密度，Ga2O3的价带顶和导带底主要由O 2p和Ga 4s轨道组成。XPS分析显示，Ga2O3/金刚石异质结为错配型（II型）能带结构，价带偏移（VBO）为1.18 eV，导带偏移（CBO）为1.89 eV。通过时间域热反射（TDTR）测量，确定ALD制备的Ga2O3薄膜热导率为5.13 W/(m·K)，异质界面的热边界导热率为19.22 MW/(m²·K)。这些结果为Ga2O3/金刚石异质结的初步理解及其在高功率电子器件中的应用提供了基础，同时为解决Ga2O3相关器件的热管理问题提供了新的研究方向。然而，由于金刚石与Ga2O3之间存在较大的晶格失配和热失配，导致界面热导率较低，削弱了金刚石高热导率的潜在优势。未来研究将考虑结构优化以改善界面热传输特性。
TDTR方法的应用场景与主要贡献：
在本研究中，时间域热反射（TDTR）方法用于精确测量Ga2O3薄膜的热导率及Ga2O3/金刚石异质界面的热边界导热率。TDTR基于飞秒激光光学泵浦-探测技术，通过在Ga2O3薄膜上沉积约100 nm的铝薄膜作为换能器，测量热信号随时间延迟的幅度变化，并结合文献中的热容数据进行拟合，得出Ga2O3薄膜热导率为5.13 W/(m·K)，界面热边界导热率为19.22 MW/(m²·K)。这些数据揭示了Ga2O3薄膜较低的热导率及界面的热传导瓶颈，为优化Ga2O3/金刚石异质结构的热管理提供了关键依据。研究还指出，界面复杂性和Ga2O3的低结晶度是热导率较低的主要原因，为未来改进异质集成技术指明了方向。
研究中使用的TDTR系统为Aunist（昊远精测）公司生产的AUTINST Pioneer-01，配备光纤飞秒激光器（波长1064 nm，脉冲宽度80 fs，脉冲能量25 nJ，重复频率80 MHz）。所有测量均在室温下进行，确保了热导率数据的可靠性和一致性。
总结：
Lin Gu等人通过ALD方法实现了Ga2O3薄膜与金刚石基底的异质集成，并利用TDTR技术精准测量了热导率和界面热边界导热率，为高功率电子器件中Ga2O3材料的热管理提供了重要数据支持。该研究不仅验证了异质集成的可行性，还为未来器件设计和优化提供了理论基础，具有重要的学术和应用价值。
