【国内论文】江南大学：β-Ga₂O₃/金刚石异质键合界面强度的晶向匹配依赖性

        由江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江南大学机械工程学院的研究团队在学术期刊物理学报发布了一篇名为“Dependence of Interfacial Bonding Strength on Crystallographic Matching in β-Ga₂O₃/Diamond Heterogeneous Bonding”（β-Ga₂O₃/金刚石异质键合界面强度的晶向匹配依赖性）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是第四代超宽禁带半导体的代表，具备 4.6-4.9 eV 的禁带宽度与 8 MV/cm 的击穿电场，在下一代功率开关器件中应用潜力突出，且可通过熔融生长技术制备高质量、大尺寸、低成本的衬底。但该材料本征热导率仅 10 ~ 27 W/(m•K)，严重的自发热效应极大制约了器件性能与可靠性。将 β-Ga₂O₃ 与热导率超 2000 W/(m•K) 的金刚石进行异质键合，是突破散热瓶颈的核心方案。现有实验已实现二者原子级平整键合，却缺乏界面微观演变、键合强度晶向依赖关系的原子尺度解析。传统密度泛函理论（DFT）精度高但计算成本高昂，难以模拟大原子数界面体系；分子动力学（MD）可处理大规模体系，可传统经验势函数描述复杂氧化物与共价键重组的精度不足。机器学习原子势函数（MLIPs）兼顾精度与效率，其中矩张量势（MTP）适配复杂氧化物界面模拟，该团队据此展开研究，以揭示界面键合的核心规律。

        β-Ga₂O₃ 作为第四代半导体材料的代表，在功率器件中展现出巨大的应用潜力，然而其极低的本征热导率限制了在高功率密度器件中的进一步应用。将 β-Ga₂O₃ 与高热导率的金刚石进行异质键合以提升散热性能，是重要的技术方向。但界面微观演变及键合强度的晶向依赖关系尚不明确，制约了键合工艺优化与器件可靠性提升。该团队构建具备第一性原理精度的百万原子级数据集并拟合 MTP 势函数，系统研究界面键合强度的晶向依赖性。结果表明，所有弛豫后的键合界面均实现原子级致密接触且无明显缺陷，其中 β-Ga₂O₃ (010)/金刚石 (100) 组合力学性能最优。该研究从原子尺度揭示界面键合强度的晶向匹配依赖规律，为优化晶圆键合工艺、提升高功率器件机械稳定性与长期可靠性提供理论指导。

        1.势函数开发：构建 C-O-Ga 三元体系百万原子级 DFT 精度数据集，开发适配 β-Ga₂O₃/金刚石异质键合的 MTP 机器学习势函数，兼顾模拟精度与计算效率。

        2.界面模拟：构建含非晶过渡层的异质键合模型，揭示 500 K 下界面原子重构规律，所有晶向组合均实现原子级致密无缺陷键合。

        3.晶向优选：定量表征界面力学性能，确定 β-Ga₂O₃ (010)/金刚石 (100) 为最优晶向匹配，抗拉强度近 5 GPa，界面热阻同步最优。

        4.机理揭示：阐明非晶层缓解晶格失配、优化应力分布的核心机制，建立键合强度与晶向匹配的关联规律。

        该团队构建了百万原子规模、DFT 级精度的高质量数据集，基于 MTP 框架开发出适用于 C-O-Ga 三元体系的机器学习原子势函数。利用该势函数模拟多种晶面组合下 β-Ga₂O₃ 与金刚石的异质键合界面演化，定量评估界面键合强度与最大应变，揭示界面结合性能的各向异性特征，优选出最优力学晶面匹配为 β-Ga₂O₃ (010)/金刚石 (100)；对于 β-Ga₂O₃ (100)、(001) 晶面，金刚石 (111) 晶面为最优匹配。该研究构建的高精度势函数为 β-Ga₂O₃ 与金刚石异质集成工艺优化提供理论基础，所用模拟方法可拓展至其他新型半导体异质结界面行为预测与设计，推动材料科学机理探索与器件工程应用深度融合。

图1. MTP 势函数训练流程图；(a) 第一性原理（DFT）计算部分；(b) 分子动力学（MD）计算部分；(c) 势函数训练部分；(d) 使用势函数表征键合模型部分。

图2. 键合原理示意图与扫描电镜图；(a) 亲水性键合原理图，其中退火温度为 500 K；(b) 键合界面电镜图片，其中不定形层约为 1 nm。

图3. 键合中各模块模型图; (a) β-Ga₂O₃ 单胞；(b) β-Ga₂O₃ 超胞；(c) 金刚石 (111) 单胞；(d) 金刚石 (111) 超胞；(e) 金刚石 (100) 单胞；(f) 金刚石 (100) 超胞；(g) 不定形层单胞；(h) 不定形层超胞；(i) 初始键合模型。

图4. 不同晶向键合处界面; (a)100 晶向的 β-Ga₂O₃  与 100 晶向金刚石键合界面; (b) 100 晶向的 β-Ga₂O₃ 与 111 晶向金刚石键合界面; (c) 010 晶向的β-Ga₂O₃ 与 100 晶向金刚石键合界面;(d) 010 晶向的 β-Ga₂O₃  与 111 晶向金刚石键合界面; (e) 001 晶向的 β-Ga₂O₃ 与 100 晶向金刚石键合界面; (f) 001 晶向的 β-Ga₂O₃ 与 111 晶向金刚石键合界面。

图5. 拉伸断裂示意图以及不同晶面的应力应变曲线; (a)拉伸前断裂处完整界面示意图; (b)拉伸后断裂处界面示意图，所有模型断裂处均发生在不定形层; (c)(100)晶向的 β-Ga₂O₃ 与金刚石键合模型的应力应变曲线; (d) (010)晶面的 β-Ga₂O₃ 与金刚石键合模型的应力应变曲线; (e)(001)晶向的 β-Ga₂O₃ 与金刚石键合模型的应力应变曲线。

DOI：

10.7498/aps.75.20260116