19 单晶AlN衬底上高质量GaN的直接生长及其高精度热学表征

块状单晶氮化铝（AlN）具有超宽禁带、高击穿电场和高的热导率，且与氮化镓（GaN）的晶格及热膨胀失配较小，被视为制造下一代大功率、高频射频器件的理想衬底。然而，该领域的发展仍面临两项严峻挑战：一是传统缓冲层引入的额外热阻。为缓解晶格失配以保证外延层质量，传统工艺常在GaN与AlN之间插入AlGaN等缓冲层。但这不仅引入了额外的异质界面，且AlGaN缓冲层本身热导率极低，大幅增加了器件的整体热阻；若仅通过增加GaN层厚度来降低缺陷，则会延长热传导路径，同样削弱了衬底的散热优势。二是高导热较薄异质结的热学表征受限。当多层结构兼具较薄厚度与高热导率时，传统热反射测试技术受限于较低的加热调制频率（通常<20 MHz），导致热穿透深度远大于薄膜厚度。这在多参数拟合时极易产生严重的交叉耦合，导致测量结果存在较高的不确定度。

近日，国防科技大学研究团队在无AlGaN缓冲层高质量GaN/AlN异质结构制备及高精度热学表征方面取得重要进展。该研究通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在高质量单晶AlN衬底上直接外延生长了480 nm厚的GaN层，免除了传统的AlGaN缓冲层。结构表征结果表明，该GaN薄膜实现了优异的二维层状生长，表面粗糙度仅为0.285 nm，且GaN/AlN界面陡峭。针对复杂热学表征难题，研究团队引入了宽带频域热反射（BB-FDTR）技术。通过将测试调制频率上限提升至50 MHz，有效降低了热穿透深度，提升了对较薄层及界面的测试灵敏度。结合严谨的参数敏感性分析与分布拟合策略，团队成功解耦了多层热学参数，提取了薄GaN层的热导率（165.4 W·m⁻¹·K⁻¹）及GaN/AlN的界面热导（172.8 MW·m⁻²·K⁻¹）。

该研究在实验上证实了在单晶AlN衬底上直接外延生长高质量、薄层GaN的巨大潜力，最大化地释放了单晶AlN衬底的高导热优势。同时，本工作提供了一套适用于较薄高导热异质结的高可靠性热学表征方案。其所获取的核心热学数据，为评估无AlGaN缓冲层GaN/AlN异质结构的散热性能提供了关键支撑，对下一代高功率微波射频器件及电力电子器件的热管理设计与性能优化具有重要的指导意义。

图1.（a）无AlGaN缓冲层的GaN/AlN异质结构截面TEM示意图；（b）GaN/AlN和（c）AlN/单晶AlN衬底界面的STEM图像，显示出高质量的外延界面。

图2.（a）BB-FDTR测试中Al/GaN/AlN三层结构的相位拟合曲线；（b）50 MHz高频调制下的热学参数敏感性分析，表明各关键热学参数得到有效解耦。

该文章以题为“Direct growth of high-quality GaN on single-crystal AlN substrate and related thermal characterization”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Direct growth of high-quality GaN on single-crystal AlN substrate and related thermal characterization

Yinghao Chen, Hongcai Li, Genhao Liang, Zhengguang Fang, Jun Zhang, Kai Wang, Jiayu Dai, Xiaoxiang Yu, Lishan Zhao 

J. Semicond., 2026, 47(6): 062502 doi: 10.1088/1674-4926/25120047

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20 化学气相沉积方法可控合成二维磁性半导体CoO纳米片

二维磁性材料在原子级厚度可保持长程磁有序与可调磁行为，是下一代自旋电子器件、高密度信息存储及量子计算领域的核心候选材料，有望突破传统硅基电子器件的功耗与尺寸极限。然而，目前已报道的多数范德华二维磁体（如CrI₃、Cr₂Ge₂Te₆）存在环境稳定性差、磁转变温度低等问题，无法满足实际器件的工作要求。非层状磁性金属氧化物兼具良好的化学稳定性、多样的电子态与较高的磁有序温度，是替代传统范德华磁体的重要体系。其中，CoO作为p型半导体，奈尔温度约290 K（接近室温），已在气体传感、储能电极与催化领域得到应用。但CoO具有非层状晶体结构，原子间以强共价键连接，难以通过传统剥离法制备二维超薄形态，同时其本征反铁磁基态导致缺乏宏观铁磁性，限制了其在自旋电子器件领域的应用。

近日，国防科技大学王广教授团队在二维磁性半导体合成领域取得进展，采用常压化学气相沉积（CVD）方法结合范德华外延策略，在云母衬底上成功制备出高质量非层状磁性CoO纳米片。利用云母衬底与CoO之间的弱范德华相互作用，抑制CoO的垂直生长，诱导其发生二维各向异性外延。通过调控生长温度（540—660 ℃），实现了CoO纳米片厚度在10.1—30 nm范围内的精确调控。所制备的CoO纳米片呈现规则三角形单晶形貌，表面平整，多数沿0°/60°方向单向排列，符合范德华外延生长特征。采用振动样品磁强计（VSM）对样品进行面内与面外方向的磁学性能测试，结果表明，CoO纳米片具有显著磁各向异性，面内方向为易磁化轴，磁转变温度约为159 K，且在高于体相CoO反铁磁有序温度的区间内，仍可观测到类铁磁响应。通过电子能量损失谱（EELS）与能量色散X射线光谱（EDS）分析，排除了空位缺陷与杂原子掺杂对磁性的贡献，提出表面氧化诱导界面应变是类铁磁响应的主要起源：CoO纳米片表面形成的薄Co3O4层与基体存在晶格失配，界面处的晶格应变重构了Co离子的自旋排列，破坏了本征反铁磁有序，进而诱导出铁磁耦合。

该论文为非层状二维磁性材料的制备提供了可行技术路线，为解决传统二维磁体环境稳定性差、规模化制备困难等问题提供了新思路。该成果揭示了界面应变调控磁性机制，为设计具有室温铁磁性的二维反铁磁氧化物提供了理论依据，有助于推动二维磁性半导体物理的基础研究与器件化进程。

图1. CoO纳米片的合成与形貌表征。（a）CVD生长装置示意图；（b）-（d）沿不同晶向CoO晶体结构模型；（e）-（g）不同厚度CoO纳米片的光学显微镜图像，标尺分别为10 μm、30 μm和30 μm。

图2. CoO纳米片的磁学性质表征。（a） 面内磁场下测得的零场冷（ZFC）和场冷（FC）磁化强度曲线；（b）面内磁场下不同温度测得的磁滞回线；（c）面外磁场下测得的零场冷（ZFC）和场冷（FC）磁化强度曲线；（d）面外磁场下不同温度测得的磁滞回线。

该文章以题为“Controllable synthesis of magnetic CoO nanosheets by chemical vapor deposition”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Controllable synthesis of magnetic CoO nanosheets by chemical vapor deposition

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