半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)獲悉：近日，由西安電子科技大學(xué)研究團隊開展技術(shù)攻關(guān)，在寬禁帶半導(dǎo)體材料集成領(lǐng)域取得取得突破性進展，相關(guān)成果2025年8月31日以“Van der Waals β-Ga₂O₃ 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-Ga₂O₃薄膜與高導(dǎo)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。該研究由西安電子科技大學(xué)郝躍院士團隊張進成教授、寧靜教授帶領(lǐng)完成，西安電子科技大學(xué)張進成教授為論文通訊作者,寧靜教授為論文第一作者，楊芷純碩士研究生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(yōu)勢，被視為下一代高功率、光電子器件的核心材料，但其本征熱導(dǎo)率極低，僅約為硅的1/5，遭遇嚴(yán)重的自熱效應(yīng)和可靠性急劇退化問題。引入熱導(dǎo)率高導(dǎo)熱的金剛石作為散熱襯底，是當(dāng)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(dǎo)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)?；瘧?yīng)用。因此，在多晶襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量β-Ga₂O₃外延成為更具可行性的技術(shù)路徑，但仍一直面臨晶向紊亂、界面缺陷多和熱應(yīng)力積聚等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

本研究揭示了二維材料輔助下β-Ga₂O₃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(dǎo)致的拉應(yīng)力，大幅降低界面熱阻，實驗測得β-Ga₂O₃/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。該突破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(dǎo)熱襯底與超寬禁帶半導(dǎo)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。

圖1  基于石墨烯插層的氧化鎵外延材料以及調(diào)控模型

圖2  石墨烯對熱應(yīng)力釋放及降低熱阻作用

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