来源 | Nature Communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-025-63666-x

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背景介绍

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。然而，Ga₂O₃的相对较低的热导率（约10-30 W/m·K），仅为金刚石的六分之一，这给高功率半导体器件带来了巨大挑战。随着器件功率密度的增加，热积累效应迅速加剧，导致性能下降，限制了Ga₂O₃高功率潜力的充分发挥。因此，热管理已成为限制Ga₂O₃基功率器件发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。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，在低成本的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，但面临晶向紊乱、界面缺陷多和热应力积聚等重大挑战。

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成果掠影

近日，由西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队张进成教授、宁静教授等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。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，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。研究成果以“Van der Waals β-Ga₂O₃thin films on polycrystalline diamond substrates”为题发表在《Nature Communications》期刊。

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图文导读

图 1.多晶金刚石上VdW-β-Ga₂O₃外延生长的吸附能计算。a 氧原子吸附在单层石墨烯/金刚石、单层h-BN/金刚石以及金刚石基底上的原子结构可视化。金刚石的晶向分别为[100]、[110]和[111]。提供了俯视图和侧视图。b 对应(a)中构型的氧原子吸附能。c 以单层h-BN和石墨烯作为插入层的外延Ga₂O₃块体材料原子结构示意图。d 外延Ga₂O₃的吸附能趋势以及e 氧原子吸附能随石墨烯和h-BN层数（从1层到6层）的变化趋势。源数据以源数据文件形式提供。

图2.多晶金刚石基底上VdW-β-Ga₂O₃的TEM图像。a VdW-β-Ga₂O₃、单层石墨烯与多晶金刚石界面的高倍截面TEM图像。b (201)取向β-Ga₂O₃和c (401)取向β-Ga₂O₃的高分辨TEM图像，附相应原子结构示意图。d (201)取向与(401)取向β-Ga₂O₃的晶体界面，包含测量的晶面间距数据。e (201)取向β-Ga₂O₃与(001)取向石墨烯的俯视原子结构图。

图3.VdW-β-Ga₂O₃薄膜的X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）图谱。a 不同温度条件下的XRD谱图。b (201)取向VdW-β-Ga₂O₃反射峰的放大化XRD摇摆曲线（插图：半高宽变化趋势）。c 不同氧气流速下VdW-β-Ga₂O₃的XRD谱图。d 不同氧气流速下O1s峰的XPS谱图。源数据以源数据文件形式提供。

图4. 多晶金刚石基底上的VdW-β-Ga₂O₃。a Ga₂O₃晶体结构中不同晶向切割表面位置原子的示意图。b 晶格失配（a_s和a_f分别表示基底和外延层的晶格常数）与氧原子密度对晶体取向生长趋势的影响。（插图：(201)取向择优生长的示意图及TEM图像）。通过增加氧分压和降低晶格失配系数可实现(201)取向的可控生长。c 740℃、760℃和780℃下的AFM表面形貌图，显示样品粗糙度对沉积温度的依赖性。（源数据见源数据文件）。d 600-800℃生长样品的常规与局部放大SEM图像及相应示意图。（本图展示了四次独立实验的代表性结果）。

图5.多晶金刚石基底上VdW-β-Ga₂O₃的热耗散特性表征。a 在单层石墨烯/多晶金刚石上外延生长的β-Ga₂O₃的典型拉曼光谱。b 局部放大拉曼光谱。c 通过原位拉曼测量提取的不同基底材料上VdW-β-Ga₂O₃的温度依赖性拉曼位移（Δω）。d 光电探测器结构及热耗散路径示意图。e 样品1、2和3的Ga₂O₃薄膜热导率与界面热边界阻力（TBReff）。f 在0.795 mW/cm²光照强度下光电探测器的光电流与暗电流。（插图：叉指电极的光学显微镜图像）。g 该探测器与同期其他器件的PDCR（光电导增益比）和响应度性能指标对比。h 不同界面工程技术方案TBReff值的基准对比。（GT：佐治亚理工学院，SIMIT：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，SU：斯坦福大学，NRL：美国海军研究实验室，PSU：宾夕法尼亚州立大学）。源数据以源数据文件形式提供。