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       近日，西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队传来喜讯，张进成教授、宁静教授等在宽禁带半导体材料集成领域取得突破性进展。相关研究成果以“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）。张进成教授为论文通讯作者，宁静教授与硕士研究生杨芷纯为论文共同第一作者。

       一、氧化镓热管理难题待解

       氧化镓（β-Ga₂O₃）因具备超宽禁带、高击穿场强和低成本晶体生长等优势，被视为下一代高功率、光电子器件的核心材料。然而，其相对较低的热导率（约10 - 30W/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。但单晶金刚石衬底虽热导性能优异，却存在晶圆尺寸受限、制备成本高昂的问题，限制了其在产业界的规模化应用。所以，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，不过这一路径面临晶向紊乱、界面缺陷多和热应力积聚等重大挑战。

       二、研究成果实现多项突破

       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机制。通过引入石墨烯作为晶格解耦层，有效屏蔽了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。

       在热管理方面，该研究利用石墨烯层释放界面因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210A/W的响应度，证实了其在热管理与光电性能方面的显著优势。

       该研究成功实现了高质量β-Ga₂O₃薄膜与高导热多晶金刚石衬底的有效集成，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，对推动下一代高功率器件发展具有重要意义。（文章来源：西电集成电路学部）