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”為題在線發表于《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-63666-x），該研究成功實現高質量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為論文共同第一作者。

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。隨著器件功率密度的增加，熱積累效應迅速加劇，導致性能下降，限制了Ga?O?高功率潛力的充分發揮。因此，熱管理已成為限制Ga?O?基功率器件發展和廣泛應用的主要技術瓶頸之一。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，限制了其在產業界的規模化應用。因此，在低成本的多晶襯底上實現高質量β-Ga?O?外延成為更具可行性的技術路徑，但面臨晶向紊亂、界面缺陷多和熱應力積聚等重大挑戰。

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-氧表面密度調控（The oxygen-lattice co-modulation model），成功實現(-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導致的拉應力，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，比現有技術降低一個數量級。基于該范德華異質結構制備的光電探測器表現出高達106的光暗電流比和210 A/W的響應度，證實其在熱管理與光電性能方面的顯著優勢，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展具有重要意義。

高導熱金剛石基氧化鎵外延薄膜及調控模型

論文鏈接

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