作为宽禁带半导体，氧化镓（Ga2O3）因其丰富的材料特性而受到广泛研究关注，使其成为下一代大功率电子器件和紫外光电应用的理想候选材料。β相氧化镓的击穿电场强度达到硅的27倍、氮化镓的2.4倍，展现出对超高压MOSFET和肖特基二极管的卓越适配性。其巴利加品质因子（BFOM）较硅提升3000倍、较氮化镓提升4倍，使基于β-氧化镓的器件在相同额定电压下可实现显著降低的导通损耗和更高能效。凭借高击穿场强、低能量损耗、优异抗辐射性能、热稳定性和化学稳定性等突出特性，β-氧化镓在功率电子应用中的性能比传统宽禁带半导体高出数个数量级。

宽带隙半导体器件的自热效应使得金刚石基板上的外延氧化镓技术对热管理至关重要。然而，晶圆级单晶金刚石的缺失以及严重的晶格失配限制了其产业化应用。西安电子科技大学张进成教授团队提出在高导热性多晶金刚石上生长范德瓦尔斯β-氧化镓（VdW-β-Ga2O3）。范德瓦尔斯力改变了单晶薄膜与多晶基板之间的耦合状态。通过利用石墨烯与不同晶向氧表面密度之间的失配效应及其氧分压依赖性，实现了(\bar{2}01)取向VdW-β-Ga2O3的可控生长。350纳米厚的高结晶度薄膜表现出最小0.18°的摇摆曲线半高宽值及6.71纳米的均方根粗糙度。石墨烯缓解了界面热膨胀应力，β-氧化镓/金刚石界面展现出2.82 m2·K/GW的超低热边界电阻。光电探测器表现出106的光暗电流比和210安培/瓦的响应度，证实了该策略的实用性与技术重要性。

图文速览

图1：多晶金刚石上VdW-β-Ga2O3外延的吸附能计算。a 可视化展示了氧原子在单层石墨烯/金刚石、单层h-BN/金刚石及金刚石基底上的吸附原子结构。金刚石晶向包括[100]、[110]和[111]，并提供俯视图与侧视图。b 对应(a)中构型的氧原子吸附能数据。c 以单层h-BN和石墨烯作为插入层的外延Ga2O3块材原子结构示意图。d 外延Ga2O3的吸附能变化趋势及e 氧原子吸附能随石墨烯与h-BN层数的变化关系（插入层数从1到6层）。源数据文件详见Source Data文件。

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/多晶金刚石界面的高倍截面TEM图像；b (\bar{2}01) β-Ga2O3和c (\bar{4}01) β-Ga2O3晶向的高分辨TEM图像，附相应原子结构示意图；d (\bar{2}01)与(\bar{4}01) β-Ga2O3取向间的晶体界面，标注实测晶面间距；e (\bar{2}01) β-Ga2O3取向与(001)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）与X射线光电子能谱（XPS）。a 不同温度条件下的XRD谱线；b (\bar{2}01) VdW-β-Ga2O3衍射峰的放大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谱线；d 不同氧气流速下O1s峰的XPS谱线。源数据文件详见Source Data文件。

文章小结

总结而言，本研究创新性地采用二维材料中间层调控单晶薄膜与多晶基板之间的耦合状态，从而改善Ga2O3成核层的形成。吸附定位模块计算表明：二维材料中间层可提升Ga2O3成核概率，促进外延薄膜的形成与生长。基于计算结果，我们选择具有成本效益与稳定性的单层石墨烯作为中间层。通过控制石墨烯与不同晶向氧密度之间的晶格失配，实现了(\bar{2}01)取向VdW-β-Ga2O3的可控生长。通过分析外延Ga2O3薄膜的表面形貌演变与生长机制，发现Ga2O3薄膜呈现岛状生长模式，并在成核后转变为连续薄膜。生长速率随氧气载气流速增加而提升，氧空位浓度则随之降低。在760°C温度、600 sccm氧气载气条件下生长的高结晶度薄膜（厚度350 nm）表现出0.18°的最小摇摆曲线半高宽和6.71 nm的均方根粗糙度。不同基底上β-Ga2O3薄膜的变温拉曼测试证实：二维中间层有效释放了β-Ga2O3与金刚石基底间的晶格热膨胀应力。TDTR测量显示β-Ga2O3/金刚石界面具有2.82 m2K/GW的超低等效热边界电阻，较当前报道的最佳值降低一个数量级。最终采用高取向纯相薄膜制备的光电探测器表现出106的高光暗电流比和210 A/W的响应度，优于近期研究报道的同类指标。这些结果证实了该方法制备材料的高质量、高结晶度与均匀性。本研究突破了在金刚石基底上实现Ga2O3薄膜直接外延生长的技术瓶颈。

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

来源：宽禁带半导体技术创新联盟

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