近日，由西安电子科技大学研究团队开展技术攻关，在宽禁带半导体材料集成领域取得取得突破性进展，相关成果2025年8月31日以“Van der Waals β-Ga2O3 thin films on polycrystalline diamond substrates”为题在线发表于《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-63666-x），该研究成功实现高质量β-Ga2O3薄膜与高导热多晶金刚石衬底的有效集成，为解决氧化镓基电子器件热管理难题提供了新路径。该研究由西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、宁静教授带领完成，西安电子科技大学张进成教授为论文通讯作者,宁静教授为论文第一作者，杨芷纯硕士研究生为论文共同第一作者。
氧化镓（β-Ga₂O₃）因超宽禁带、高击穿场强和低成本晶体生长优势，被视为下一代高功率、光电子器件的核心材料，但其本征热导率极低，仅约为硅的1/5，遭遇严重的自热效应和可靠性急剧退化问题。引入热导率高导热的金刚石作为散热衬底，是当前最具潜力的热管理策略。尽管单晶金刚石衬底具有优异的热导性能，但其晶圆尺寸受限、制备成本高昂，限制了其在产业界的规模化应用。因此，在多晶衬底上实现高质量β-Ga2O3外延成为更具可行性的技术路径，但仍一直面临晶向紊乱、界面缺陷多和热应力积聚等关键挑战。
本研究揭示了二维材料辅助下β-Ga2O3在多晶衬底上成核取向的智能筛选和应力的高效释放，通过引入石墨烯作为晶格解耦层，有效屏蔽多晶金刚石衬底晶向无序带来的晶格失配影响，借助弱界面耦合和晶格失配系数-氧表面密度调控（The oxygen-lattice co-modulation model），成功实现(-201)取向β-Ga₂O₃薄膜的可控外延，突破性阐明了二维材料辅助下在多晶衬底上实现单晶薄膜生长的物理机理。
本研究利用石墨烯层释放界面由于巨大热失配系数导致的拉应力，大幅降低界面热阻，实验测得β-Ga2O3/金刚石界面的热边界电阻仅2.82 m2·K/GW，比现有技术降低一个数量级。基于该范德华异质结构制备的光电探测器表现出高达106的光暗电流比和210 A/W的响应度，证实其在热管理与光电性能方面的显著优势。该突破为氧化镓基高性能功率电子器件的热管理难题提供了全新解决路径，实现了高导热衬底与超宽禁带半导体的高效集成，对推动下一代高功率器件发展具有重要意义。
图1 基于石墨烯插层的氧化镓外延材料以及调控模型
图2 石墨烯对热应力释放及降低热阻作用
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63666-x#article-info
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