沙特国王科技大学李晓航教授课题组《ACS AMI》：面向柔性/垂直器件的可转移 Ga2O3薄膜_行业动态_化工资讯

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可剥离可转移的单晶 Ga ₂ O ₃ 薄膜是垂直 / 柔性日盲光子学和功率半导体器件应用的理想选择。然而，单晶 Ga ₂ O ₃ 薄膜通常外延生长在蓝宝石、 Si 或 SiC 等刚性基底上，由于 Ga ₂ O ₃ 与基底之间的强共价键，阻碍了其剥离能力且决定了其横向的器件结构，也难以满足日益增长的柔性可穿戴和可折叠电子器件的需求。而现有的剥离方法包括激光剥离、基底蚀刻和二维材料牺牲层等，具有成本高、过程复杂且效率低的特点。

近期， 沙特国王科技大学李晓航教授课题组在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表了题为 “Transferrable Ga ₂ O ₃ Membrane for Vertical and Flexible Electronics via One-step Exfoliation” 的论文。 该论文开发了一种新颖而直接的方法，采用云母基底作为单晶高质量 Ga ₂ O ₃ 薄膜的外延生长和剥离转移的平台。云母基底具有原子级的平坦表面和耐高温性，是单晶高质量 Ga ₂ O ₃ 薄膜的范德华外延的优质衬底。得益于 Ga ₂ O ₃ 和云母衬底之间的弱范德华力，高质量 Ga ₂ O ₃ 薄膜可以被大规模剥离并转移到任意柔性胶带上，从而实现垂直且柔性的器件结构。文章中分别展示了转移较厚 (~380 nm)/ 较薄 (~95 nm) 的 κ 相 Ga ₂ O ₃ 薄膜和导电的 n 型 β相 Ga ₂ O ₃ 薄膜，从而验证了这种剥离方法的一致性和可重复性。基于该剥离的 Ga ₂ O ₃ 薄膜，作者展示了垂直结构的日盲光电探测器，其表现出在波长为 ~250 nm 处的峰值响应。此外，通过集成 Ti/Au 欧姆接触电极和 Ni/Ag 肖特基接触电极，该垂直光电探测器表现出自供电光电探测能力，在零偏压下的响应度为 17 mA/W 。这项工作提供了一个新的视角，将激励研究界采用云母作为薄膜生长、薄膜剥离和垂直器件制造的平台，这可能对未来的 Ga ₂ O ₃ 柔性 / 垂直结构器件产生巨大影响，特别是在柔性可穿戴和可折叠电子器件的应用中。沙特阿卜杜拉国王科技大学（ KAUST ）电子与计算机工程学院的在读博士生陆义为该论文的第一作者，通讯作者为李晓航教授。

图 1. (a) Ga ₂ O ₃ 沉积、薄膜剥离和垂直 PD-A 和 PD-B 制造的工艺流程。 (b) 高速相机下的薄膜剥离过程。

图 2. (a) 生长的 Ga ₂ O ₃ / 云母的大尺度横截面 TEM 图像（中），云母基底（左）和外延 κ - Ga ₂ O ₃ 薄膜（右）的高分辨率 TEM 图像。插图是云母和 κ - Ga ₂ O ₃ 的 FFT 图像。 (b) 剥离后 Ga ₂ O ₃ 和云母基底之间的边界和能量色散 X 射线分析 (EDX) 分布 (Ga/Al) ，显示在云母上生长的板状 Ga ₂ O ₃ 。 (c) 剥离的 Ga ₂ O ₃ 薄膜转移到铜胶带和 EDX 分布 (Ga/C) 。 (b) 和 (c) 中 Ga ₂ O ₃ 膜的厚度均为 ≈ 380 nm 。

图 3. (a) 生长的 κ - Ga ₂ O ₃ / 云母和剥离的 κ - Ga ₂ O ₃ /Cu 的 XRD 2 θ - ω 扫描； (b) 10 μ m*10 μ m 范围内剥离和未剥离部分边界的 AFM 剖面； (c) 是从 (b) 中提取的边界的深度剖面； (d) 剥离和未剥离部分边界的 SEM 表面及其 (e) Ga 、 O 、 Al 和 K 的 EDX 分布； (f) 云母基底（黑色曲线）、剥离的 κ - Ga ₂ O ₃ 薄膜表面（红色曲线）和干法蚀刻剥离后的 κ - Ga ₂ O ₃ （蓝色曲线）的 XPS 光谱。

图 4. (a) 在云母上生长的 n 型 β - Ga ₂ O ₃ 和剥离的 n 型 β - Ga ₂ O ₃ 薄膜的 XRD 图； (b) 比较在云母基底上生长的 β - Ga ₂ O ₃ 和 κ - Ga ₂ O ₃ 的 XRD 图谱； ~36 ° 处的云母 (003) 峰用于峰对齐； (c) 生长的 n 型 Ga ₂ O ₃ / 云母和具有叉指金属图案的剥离 n- Ga ₂ O ₃ / 胶带的图片； (d) 生长的 n 型 Ga ₂ O ₃ / 云母、剥离的 n- Ga ₂ O ₃ / 胶带和干法蚀刻的剥离后的 n- Ga ₂ O ₃ / 胶带的线性和对数坐标 IV 曲线。

图 5. (a) 垂直 PD-A 的制作流程； (b) 不同偏压下垂直 PD-A 的光响应光谱（插图是光谱的对数标度）； (c) 不同偏压下垂直 PD-A 的响应度； (d) PD-A 在 15 V 偏压和 250 nm 光照条件下的时间相关响应。 (e) Ti/Au 背涂垂直 PD-B 的制作流程， (f) 自供电垂直 PD-B 在 -10~10V 下的 IV 曲线 ( 对数标度和线性标度 ) ； (h) 自供电 PD-B 在 0 V 偏压下的光响应光谱（插图是光谱的对数标度）； (i) 0~ -5V 反向偏压下的响应度； (j) 自供电 PD-B 在 0 V 偏压和 250 nm 照明条件下的时间相关响应。

值得注意的是，这种范德华力辅助剥离的方法可以扩展到几乎所有垂直结构的电子器件中。例如，通过在云母基底上生长 n ^- - Ga ₂ O ₃ /n ⁺ - Ga ₂ O ₃ 叠层和沉积金属电极，并将其剥离，可以开发出垂直结构的肖特基二极管，摆脱在 Ga ₂ O ₃ 肖特基二极管中必不可少的昂贵的 n ⁺ - Ga ₂ O ₃ 衬底。这些大功率器件的散热问题也可以通过采用金属胶带或具有高导热性的外来基底轻松解决。此外，在云母基底上进行预沉积和剥离后，还可以得到 n- Ga ₂ O ₃ /p-NiO 等垂直 PN 结，可应用于 PN 结二极管和 PN 结光电探测器。

总体而言，论文所开发的从云母基底上外延和剥离 Ga ₂ O ₃ 的技术具有巨大的优势。例如，云母基底的高温耐受性和原子级平坦表面特性为高质量 Ga ₂ O ₃ 外延提供了优越的条件。剥离策略简单可行，不需要额外的程序或设备。除此之外，原始云母基底可以在剥离后回收用于进一步沉积。此文提出的一步剥离方法将半导体薄膜转移到柔性且廉价的柔性胶带上后，制造的器件可能会对未来的垂直光电和电力电子学产生巨大影响，特别是在柔性可穿戴和可折叠电子器件的应用中。

作者简介

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李晓航教授 是沙特阿卜杜拉国王科技大学（ KAUST ）电子与计算机工程学院副教授及先进半导体实验室的 PI 兼博士生导师。现为 Photonics Research 副编辑和 Journal of Semiconductor 编委。担任 IWN 等多个国际主要会议的程序或组织委员会成员。李晓航教授团队致力于第三代半导体超宽禁带材料、器件、物理、设备的研究，涉及器件包括 LED 、激光器、晶体管、光电探测器和传感器等。这些领域预期会在未来对光电电子通信生化和生命科学等领域带来革命性的影响。