范德华力调控的β-Ga2O3/多晶金刚石异质结：突破热管理瓶颈的新型半导体材料

本研究针对宽禁带半导体β-Ga2O3器件自热效应难题，创新性地采用石墨烯插层技术，在高温导多晶金刚石基底上实现范德华外延生长(201)取向β-Ga2O3薄膜。通过调控氧表面密度与晶格失配，获得0.18°超窄X射线摇摆曲线和2.82 m2·K/GW的超低界面热阻，所制备光电探测器实现106光暗电流比和210 A/W响应度，为高功率电子器件热管理提供新范式。

　　

在功率电子器件领域，β相氧化镓(β-Ga₂O₃)因其27倍于硅的击穿电场强度和3000倍于硅的巴利加优值(BFOM)，被视为下一代超高压器件的理想材料。然而其10-30 W·m^-1·K^-1的低热导率成为制约发展的阿喀琉斯之踵——当器件功率密度提升时，热积累效应会导致性能急剧劣化。传统解决方案试图将β-Ga₂O₃与高热导金刚石(>1800 W·m^-1·K^-1)集成，但晶圆级单晶金刚石稀缺且晶格失配严重的双重限制，使得异质外延生长始终难以突破。

为解决这一难题，西安电子科技大学Jing Ning、Jincheng Zhang团队在《Nature Communications》发表创新研究，提出"范德华β-Ga₂O₃"(VdW-β-Ga₂O₃)概念。通过石墨烯插层修饰单晶薄膜与多晶基底间的耦合状态，利用雾化学气相沉积(mist-CVD)技术，在工业级多晶金刚石上实现高结晶质量β-Ga₂O₃的可控生长。

关键技术包括：1) 采用甲基丙烯酸甲酯辅助转移单层石墨烯至多晶金刚石基底；2) 通过mist-CVD系统调控氧分压(300-1000 sccm)和温度(700-800℃)实现取向生长；3) 结合时间域热反射法(TDTR)测量界面热阻；4) 制备金属-半导体-金属(MSM)结构光电探测器验证性能。

【生长机制】

理论计算显示石墨烯使(201)晶面氧原子间距(0.496 nm)与石墨烯碳间距(0.492 nm)形成4.9%的超低失配。高分辨透射电镜(HR-TEM)证实该取向薄膜具有0.59 nm和0.22 nm的清晰晶格条纹，而(401)取向因0.215 nm氧间距导致生长劣势。

【热管理性能】

原位变温拉曼揭示石墨烯使热膨胀应力降低50%，界面热阻仅2.82 m²·K/GW，较传统键合技术降低一个数量级。这归因于石墨烯既缓解了热失配应力(金刚石与β-Ga₂O₃热膨胀系数差达4.5×10^-6 K^-1)，又维持了原子级洁净界面。

【光电应用】

基于该材料的光电探测器展现出7.92 μA光电流与5.83×10^-6 μA暗电流的惊人比值，210 A/W的响应度远超同期报道的ε-Ga₂O₃/Si器件(136-140 A/W)。

这项研究开创性地证明：二维材料插层可突破多晶基底外延限制，为宽禁带半导体热管理提供普适性方案。其价值不仅在于实现β-Ga₂O₃/金刚石异质集成，更启示了通过范德华力调控界面耦合状态的新范式，对发展千瓦级功率器件具有里程碑意义。