近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员课题组与西安电子科技大学郝跃院士团队韩根全教授合作，利用基于“万能离子刀”的异质集成技术将氧化镓（Ga₂O₃）材料与器件的散热能力提升4倍以上，并在实验上观测到了异质集成Ga₂O₃器件的表面温度明显低于体衬底Ga₂O₃器件。相关研究成果以“Efficient thermal dissipation in wafer-scale heterogeneous integration of single-crystalline β-Ga₂O₃ thin film on SiC”发表在国家自然科学基金委员会主办的Fundamental Research期刊，并被选为“宽禁带和超宽禁带半导体”专题的正封面文章。
　　作为一种新型超宽禁带半导体材料，Ga₂O₃具有大的禁带宽度（~4.9 eV），高的击穿电场（~8 MV/cm），低的导通电阻（相同耐压下约是GaN 基器件的1/3），大的Baliga优值指数（分别是GaN和SiC的四倍和十倍）等优势。因此，Ga₂O₃电子器件具有耐压高、功率高和电路损耗小等特点，在通信、雷达、航空航天、高铁动车、新能源汽车等领域具有重要的应用价值和巨大的市场空间，已经吸引了学术界和产业界的极大重视和广泛兴趣。然而，Ga₂O₃晶体材料固有的热导率极低，（只有碳化硅热导率的1/10），使得直接在Ga₂O₃晶体材料上制备电子器件，散热将成为制约器件性能的主要瓶颈。
　　与氮化镓材料体系类似，将氧化镓单晶薄膜与高导热衬底材料结合形成异质集成材料是解决其散热问题的有效途径之一。由于晶格失配等物理限制，传统的异质外延生长技术难以在碳化硅等高导热衬底上生长出高质量的氧化镓单晶薄膜。2019年，中国科学院微系统与信息技术研究所欧欣团队与西安电子科技大学郝跃院士团队韩根全教授合作，采用离子束剥离与转移技术在国际上首次实现晶圆级Ga₂O₃单晶薄膜与高导热硅基和碳化硅基衬底的异质集成，制备出了Ga₂O₃/Si和Ga₂O₃/SiC异质集成材料，对比基于同质 Ga₂O₃衬底的器件，异质集成 Ga₂O₃器件热稳定性有显著的提升，成果发表在微电子领域顶级国际会议IEDM上（10.1109/IEDM19573.2019.8993501）。
　　在本工作中，该团队对Ga₂O₃/SiC异质集成材料和器件的散热特性进行了深入研究。瞬态热反射测试结果表明Ga₂O₃/SiC异质集成材料的热弛豫要明显快于Ga₂O₃体材料，通过高温后退火可消除注入应力、缺陷，提升异质界面质量，可进一步降低材料等效界面热阻。利用红外热成像技术直观地观察到在相同功率下基于Ga₂O₃/SiC异质集成材料的SBD器件表面温度明显低于Ga₂O₃体材料器件，Ga₂O₃/SiC异质集成材料的等效热阻为43.55 K/W，仅为Ga₂O₃体材料（188.24 K/W）的1/4，这表明通过与高导热衬底集成能够有效提升Ga₂O₃器件的热耗散。本研究不仅加深了对异质材料界面热传输机理的理解，也为 Ga₂O₃器件的热管理提供了一种有效的解决方案，从而为开发下一代高性能功率器件提供关键技术和材料支撑。
　　本论文共同第一作者为中科院上海微系统所博士生徐文慧和游天桂博士，共同通讯作者为中科院上海微系统所欧欣研究员和西安电子科技大学韩根全教授。该工作得到了国家自然科学基金应急管理重点项目、中国科学院前沿科学重点研发项目、上海市优秀学术带头人等项目的支持。
　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325821002156

　　Fundamental Research“宽禁带和超宽禁带半导体”专题正封面

　　异质集成提升氧化镓材料与器件的散热能力

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