近日，由西安電子科技大學集成電路學部郝躍院士團隊張進成教授、寧靜教授等在寬禁帶半導體材料集成領(lǐng)域取得取得突破性進展，研究成果以“Van der Waals β-Ga?O?thin ?lms on polycrystalline diamond substrates”為題在線發(fā)表于《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-63666-x），該研究成功實現(xiàn)高質(zhì)量β-Ga?O?薄膜與高導熱多晶金剛石襯底的有效集成，為解決氧化鎵基電子器件熱管理難題提供了新路徑。張進成教授為論文通訊作者,寧靜教授與碩士研究生楊芷純?yōu)檎撐墓餐谝蛔髡摺?/p>

氧化鎵（β-Ga?O?）因超寬禁帶、高擊穿場強和低成本晶體生長優(yōu)勢，被視為下一代高功率、光電子器件的核心材料。然而，Ga?O?的相對較低的熱導率（約10-30 W/m·K），僅為金剛石的六分之一，這給高功率半導體器件帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨著器件功率密度的增加，熱積累效應(yīng)迅速加劇，導致性能下降，限制了Ga?O?高功率潛力的充分發(fā)揮。因此，熱管理已成為限制Ga?O?基功率器件發(fā)展和廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一。引入熱導率高導熱的金剛石作為散熱襯底，是當前最具潛力的熱管理策略。盡管單晶金剛石襯底具有優(yōu)異的熱導性能，但其晶圓尺寸受限、制備成本高昂，限制了其在產(chǎn)業(yè)界的規(guī)模化應(yīng)用。因此，在低成本的多晶襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量β-Ga?O?外延成為更具可行性的技術(shù)路徑，但面臨晶向紊亂、界面缺陷多和熱應(yīng)力積聚等重大挑戰(zhàn)。

本研究揭示了二維材料輔助下β-Ga?O?在多晶襯底上成核取向的智能篩選和應(yīng)力的高效釋放，通過引入石墨烯作為晶格解耦層，有效屏蔽多晶金剛石襯底晶向無序帶來的晶格失配影響，借助弱界面耦合和晶格失配系數(shù)-氧表面密度調(diào)控（The oxygen-lattice co-modulation model），成功實現(xiàn)(-201)取向β-Ga?O?薄膜的可控外延，突破性闡明了二維材料輔助下在多晶襯底上實現(xiàn)單晶薄膜生長的物理機理。

本研究利用石墨烯層釋放界面由于巨大熱失配系數(shù)導致的拉應(yīng)力，大幅降低界面熱阻，實驗測得β-Ga?O?/金剛石界面的熱邊界電阻僅2.82 m2·K/GW，比現(xiàn)有技術(shù)降低一個數(shù)量級。基于該范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的光電探測器表現(xiàn)出高達106的光暗電流比和210 A/W的響應(yīng)度，證實其在熱管理與光電性能方面的顯著優(yōu)勢，為氧化鎵基高性能功率電子器件的熱管理難題提供了全新解決路徑，實現(xiàn)了高導熱襯底與超寬禁帶半導體的高效集成，對推動下一代高功率器件發(fā)展具有重要意義。

高導熱金剛石基氧化鎵外延薄膜及調(diào)控模型

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https://www.nature.com/articles/s41467-025-63666-x#article-info