院士团队，金刚石散热重磅新突破！

发布时间：2025-09-12 09:16:15 | 浏览量： 22次

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、宁静教授等在宽禁带半导体材料集成领域取得取得突破性进展，研究成果以“Van der Waals β-Ga₂O₃ thin films on polycrystalline diamond substrates”为题在线发表于国际知名期刊《Nature Communications》，该研究成功实现高质量β-Ga₂O₃薄膜与高导热多晶金刚石衬底的有效集成，为解决氧化镓基电子器件热管理难题提供了新路径。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。



氧化镓（β-Ga₂O₃）因超宽禁带、高击穿场强以及低成本晶体生长优势，被视作下一代高功率、光电子器件的核心材料。 不过，Ga₂O₃的热导率相对较低，仅为 10-30 W/m・K，仅为金刚石热导率的六分之一，这给高功率半导体器件的研发与应用带来了巨大阻碍，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。由此可见，热管理已成为制约 Ga₂O₃基功率器件发展与大规模应用的关键技术瓶颈之一。




当前，引入高导热的金刚石作为散热衬底，是应对这一难题最具潜力的热管理方案。尽管单晶金刚石衬底拥有出色的导热性能，但受限于晶圆尺寸较小、制备成本偏高的问题，其在产业界的规模化应用受到极大限制。因此，在低成本多晶衬底上实现高质量 β-Ga₂O₃外延生长，成为更具现实可行性的技术方向。然而，这一过程面临着晶向混乱、界面缺陷较多以及热应力积聚等一系列严峻挑战。




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，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。




本研究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 ㎡u⁶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。



图1. VdW-β-Ga₂O₃外延在多晶金刚石上的吸附能计算。



图2. 聚金刚石基底上的VdW-β-Ga₂O₃的TEM图像。



图3. VdW-β-Ga₂O₃薄膜的X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）光谱。



图4. 多晶金刚石上的VdW-β-Ga₂O₃。



图5. VdW-β-Ga₂O₃在聚晶金刚石上的热耗散特性。

关于碳方程

碳方程，主要从事第三、四代半导体材料专用设备的研发与制造，其核心业务为金刚石半导体材料所需的MPCVD长晶设备的研发与生产。公司致力于完善金刚石大尺寸材料的加工工艺及相关配套设备，旨在实现核心设备的自主化与产业化，以推动整个行业的快速发展。



截止目前，公司已成功研发出6KW/10KW/15KW/915MHZ等MPCVD长晶设备并大批量应用于金刚石行业，与此同时，公司在技术创新上持续深耕，不断迭代研发，致力于为行业提供更卓越、更具竞争力的高端设备。

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