【会员论文】西电郝跃院士、张进成教授团队：利用石墨烯夹层进行高效热管理，实现β-Ga₂O₃/多晶金刚石异质外延

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授的研究团队在学术期刊 Diamond and Related Materials 发布了一篇名为 Van der Waals epitaxy of β-Ga₂O₃ films on polycrystalline diamond substrates enabled by graphene interlayer for efficient thermal management（利用石墨烯夹层实现高效热管理，在多晶金刚石衬底上生长 β-Ga₂O₃ 薄膜的范德华外延法）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，禁带宽度可达 4.9-5.3 eV，击穿场强、能量损耗、热化学稳定性等核心性能全面优于氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC），其 Baliga 优值分别是 GaN、SiC 的 4 倍、10 倍，是下一代大功率电力电子、日盲紫外光电器件的核心候选材料。但本征 β-Ga₂O₃ 导热系数仅 10-30 W・m⁻¹・K⁻¹，器件微型化、功率提升过程中自发热效应严重，大幅劣化器件可靠性，散热瓶颈限制了其产业化应用。

        金刚石是自然界已知导热性能最优材料，室温导热系数约 2000 W・m⁻¹・K⁻¹，是理想的散热衬底。现有方案多采用单晶金刚石衬底外延 Ga₂O₃，但大尺寸单晶金刚石造价高昂、难以量产；多晶金刚石成本更低、可大面积制备，却因晶粒取向随机，直接外延 Ga₂O₃ 时晶格失配、界面热应力巨大，薄膜易开裂、结晶质量极差。

        现有异质集成工艺如表面活化键合、离子剥离转移会引入辐照缺陷、非晶界面层，工艺复杂且界面热阻偏高；二维材料（石墨烯、六方氮化硼 h-BN）具备无悬挂键范德华界面、六方原子排布，可缓冲晶格与热失配，目前尚无单层石墨烯夹层辅助多晶金刚石直接范德华外延高质量纯相 β-Ga₂O₃ 的系统性研究。本文采用雾相化学气相沉积（Mist-CVD），引入单层石墨烯夹层解决上述核心难题，同步验证散热性能与光电器件应用潜力。

        在多晶金刚石上异质外延 β-Ga₂O₃ 可为大功率器件提供关键热管理方案，但衬底杂乱的晶体取向会阻碍该工艺实现。本研究采用石墨烯夹层缓解晶格失配与界面热应力，提升薄膜质量。结果表明薄膜遵循斯传斯基- 克拉斯坦诺夫（Stranski-Krastanov）生长模式，制备的 β-Ga₂O₃ 薄膜沿 (-201) 晶面择优生长，平均表面粗糙度为 3.65 nm，摇摆曲线半高宽低至 0.19°，证实成功外延高结晶度、纯相 β-Ga₂O₃ 薄膜。红外热成像验证金刚石衬底具备优异散热能力，测试得到外部等效导热系数 95.8 W/m・K。基于该异质结构制备的 β-Ga₂O₃ 光电探测器暗电流为 1.2 nA，光暗电流比达 10⁵，响应度 218 A/W。本研究攻克了 Ga₂O₃ 在金刚石上外延的核心难题，推动下一代大功率与光电半导体技术发展。

        ①采用单层石墨烯夹层，首次在多晶金刚石衬底实现 β-Ga₂O₃ 范德华外延生长；

        ②石墨烯夹层可大幅降低晶格失配、缓冲金刚石与 Ga₂O₃ 间热膨胀系数差异带来的界面热应力，抑制薄膜剥离、提升连续性；

        ③所制备 β-Ga₂O₃ 薄膜结晶度优异，摇摆曲线半高宽仅 0.19°，表面均方根粗糙度低至 3.65 nm；

        ④金刚石复合衬底整体外部等效导热系数达 95.8 W/m・K，为本征 Ga₂O₃ 导热系数的 3 倍以上；

        ⑤基于该异质结构的 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光电探测器实现 218 A/W 超高响应度，光暗电流比 10⁵，器件散热与光电性能同步提升。

        该团队首次通过雾相化学气相沉积工艺，借助单层石墨烯夹层在多晶金刚石衬底上实现高质量纯相 β-Ga₂O₃ 薄膜外延生长。石墨烯夹层有效缓解晶格失配，消除衬底晶体取向紊乱引发的界面热应力。所得薄膜沿 (-201) 晶面择优生长，同时存在少量 (-401) 与 (-202) 取向，摇摆曲线半高宽为 0.19°，均方根粗糙度低至 3.65 nm。细致分析证实薄膜遵循斯传斯基-克拉斯坦诺夫生长模式，岛状晶粒横向合并过程中因非均匀形核产生混合型位错。石墨烯夹层承担缓冲热应力、防止薄膜剥离、保障薄膜连续完整的关键作用。红外热成像结果证实金刚石衬底具备优异散热性能，测试得到外部等效导热系数 95.8 W/m・K，是纯 β-Ga₂O₃ 本征导热系数的三倍以上。基于该异质结构制备的光电探测器性能优异：暗电流 1.2 nA、光暗电流比 10⁵、响应度 218 A/W。上述成果攻克了长期存在的 β-Ga₂O₃ 直接外延金刚石衬底技术瓶颈，为集成热管理的下一代大功率与光电器件搭建了可靠技术平台。

        本工作得到教育部基础学科交叉突破计划（项目编号：JYB2025XDXM105）、国家自然科学基金面上项目（62274134、62421005）、国家杰出青年科学基金（62525402）、国家重点研发计划（2023YFB3609900、2021YFA0716400）、陕西省自然科学基础研究计划（2025SYS-SYSZD-084）资助。