中科院半导体所魏同波研究员，苏州大学孙靖宇教授 Adv.Sci:制造和无裂纹转移晶圆级氮化镓

中科院半导体所魏同波研究员，苏州大学孙靖宇教授 等人发表了题为“  Wafer-Scale Manufacturing and Crack-Free Transferring of GaN-Based Membranes for Flexible Optoelectronics的工作于 Advanced Science 期刊上。

本文提出了一种晶圆级制造和无裂纹转移的氮化镓（GaN）基膜技术，用于柔性光电子学。通过在Si(100)衬底上直接生长的石墨烯（Gr）界面层，实现了准范德华外延（QvdWE）生长的近乎单晶的GaN膜。通过简单的化学蚀刻，可以实现晶圆级III族氮化物膜的制备和转移到任意衬底上，具有最小的损伤和晶圆级剥离能力。所获得的柔性InGaN基发光二极管（LED）器件由于在转移过程中避免了裂纹，展现出强烈的蓝光发射。同时，柔性紫外光电探测器（UV PD）也显示出良好的稳定性，具有高达3.52×10⁴ A/W的响应度和6.21×10¹² Jones的比探测率。这项工作表明，QvdWE外延和完整转移策略有助于GaN基器件与Si基集成的结合，为柔性光电子学的发展提供了新的可能性。

背景

柔性光电子学在显示设备和人机交互设备中具有广泛的应用前景，尤其是在柔性可穿戴设备领域。通过将III-V族氮化物膜与Si平台堆叠，异质集成有望解决Si基光源的短缺问题，并利用III-V族材料的直接可调带隙和高波长选择性。目前，III-V族氮化物膜和器件的转移主要采用化学剥离（CLO）、激光剥离（LLO）和基于二维材料的范德华（vdW）转移技术。然而，这些方法存在成本高、产量低、界面损伤和难以避免裂纹等问题。因此，开发一种低成本、高产量、无裂纹的III-V族氮化物膜转移技术具有重要意义。

主要内容

本文的核心内容是提出了一种基于准范德华外延（QvdWE）技术的晶圆级GaN膜制造和无裂纹转移方法。研究团队通过在Si(100)衬底上直接生长的石墨烯（Gr）界面层，实现了近乎单晶的GaN膜的生长。通过简单的化学蚀刻，可以将GaN膜从Si衬底上剥离并转移到任意衬底上，具有最小的损伤和晶圆级剥离能力。这种技术不仅保持了GaN膜的高质量，还实现了柔性光电子器件的制备，如柔性LED和紫外光电探测器（UV PD）。首先，在SiO₂/Si(100)衬底上直接生长连续的石墨烯薄膜，然后通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在石墨烯表面生长GaN膜。通过优化生长条件，实现了高c轴取向的GaN膜，其结晶质量显著优于以往的报道。通过X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等技术，研究团队对GaN膜的结晶质量进行了表征，确认了其近乎单晶的结构。基于这种高质量的GaN膜，研究团队制备了柔性垂直结构的LED和UV PD。柔性LED在剥离后仍能保持明亮的蓝光发射，表明其良好的性能。UV PD在剥离后也显示出良好的稳定性，具有高达3.52×10⁴ A/W的响应度和6.21×10¹² Jones的比探测率。这些结果表明，通过QvdWE外延和完整转移策略，可以实现GaN基器件与Si基集成的结合，为柔性光电子学的发展提供了新的可能性。

实验细节

首先，在SiO₂/Si(100)衬底上直接生长连续的石墨烯薄膜，通过低压化学气相沉积（LPCVD）在1050°C的温度下进行。通过四探针电阻测量，确认了4英寸石墨烯/SiO₂/Si(100)晶圆的电学均匀性，平均电阻值为3000Ω/sq。基于这些晶圆，通过MOCVD生长了4英寸的GaN膜。通过多种生长对比实验，研究团队发现石墨烯/SiO₂层和AlN缓冲层都是不可或缺的。通过在MOCVD生长室中对石墨烯进行NH₃预处理，生长了不同温度（660°C和1200°C）的AlN核化层，随后进行GaN膜的外延生长。通过高分辨率X射线衍射（HRXRD）和电子背散射衍射（EBSD）等技术，研究团队对GaN膜的结晶质量进行了表征，确认了其高c轴取向的结构。为了制备柔性光电子器件，研究团队通过化学蚀刻SiO₂层，将GaN膜从Si(100)衬底上剥离。通过优化剥离方法，避免了高浓度HF引起的快速剥离裂纹。剥离后的GaN膜可以转移到任意衬底上，如铜箔。通过原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等技术，研究团队对剥离后的GaN膜表面进行了表征，确认了其低损伤和低粗糙度。

创新点

1. 晶圆级GaN膜制造：通过在Si(100)衬底上直接生长的石墨烯界面层，实现了近乎单晶的GaN膜的生长，显著提高了GaN膜的结晶质量。
2. 无裂纹转移技术：通过简单的化学蚀刻，实现了晶圆级III族氮化物膜的制备和转移到任意衬底上，具有最小的损伤和晶圆级剥离能力。
3. 柔性光电子器件制备：基于高质量的GaN膜，制备了柔性垂直结构的LED和UV PD，展示了良好的性能和稳定性。
4. 高性能UV PD：柔性UV PD显示出高达3.52×10⁴ A/W的响应度和6.21×10¹² Jones的比探测率，显著优于以往的报道。

结论

本文通过在Si(100)衬底上直接生长的石墨烯界面层，实现了近乎单晶的GaN膜的生长，并通过简单的化学蚀刻实现了晶圆级III族氮化物膜的制备和转移到任意衬底上。这种技术不仅保持了GaN膜的高质量，还实现了柔性光电子器件的制备，如柔性LED和UV PD。这些结果表明，通过QvdWE外延和完整转移策略，可以实现GaN基器件与Si基集成的结合，为柔性光电子学的发展提供了新的可能性。这一技术有望加速新一代无机光电子学的混合集成和柔性应用的发展。

结果与讨论

图1.Si(100)衬底上晶圆级III族氮化物薄膜的外延生长与剥离工艺流程。a)4英寸石墨烯晶圆照片；b)4英寸Gr/SiO2/Si(100)晶圆的薄层电阻分布图；c)Gr/SiO2/Si(100)衬底上4英寸GaN晶圆照片；d)Gr/SiO2/Si(100)表面III族氮化物薄膜的制备流程与剥离方法示意图；e)Si(100)衬底上III-V族GaN薄膜的生长过程；f)剥离后的III-N族GaN薄膜照片。

图2.Gr/SiO2/Si(100)衬底上AlN缓冲层与GaN薄膜的外延生长特性。a)660°C和1200°C下SiO2/Si(100)表面AlN成核岛的统计分布；b)AlN缓冲层与GaN薄膜的SEM图像；c)GaN与AlN岛状结构面外取向示意图；d)GaN/LT-AlN/Gr/SiO2/Si(100)和GaN/HT-AlN/Gr/SiO2/Si(100)的XRD 2θ-ω扫描曲线；e)两种结构的X射线摇摆曲线；f)LT-AlN与g)HT-AlN缓冲层对应GaN薄膜的面外EBSD取向图；h)2英寸GaN晶圆照片与i)AFM表面形貌图；j)GaN/Gr体系三种主要外延关系的相互作用能与晶格失配度；k)相邻GaN晶粒间不同晶界类型（插图为对应旋转角度的FFT图像）。

图3.剥离前后GaN基LED的特性表征。a)Si(100)衬底上LED的蓝色电致发光照片；b)LED的电致发光光谱；c)LED的XRD 2θ-ω扫描显示多量子阱良好的周期性和高质量；d)柔性LED的蓝色电致发光照片；e)不同电流下柔性LED的室温电致发光光谱（峰值波长≈450nm）；f)具有HT-AlN缓冲层的LED外延膜经BOE腐蚀后暴露的背面氮化物SEM图像（插图为截面图）；g)剥离后背面氮化物表面的AFM图像；h)7mA电流下剥离前S-LED与剥离后F-LED的电致发光光谱峰值位置和半高宽对比；i)剥离前S-GaN薄膜与剥离后F-GaN薄膜的RMS粗糙度和拉曼位移对比。

图4.剥离前后MSM GaN光电探测器的表征。a)不同光照下生长态PD的I-V曲线；b)光强-电流关系曲线；c)响应度随波长变化曲线；d)剥离后的PD阵列及转移到玻璃基板的单个探测器；e)柔性PD的I-V特性曲线；f)365nm紫外光照下不同偏压对应的响应度与比探测率；g)柔性PD的时间响应曲线及其指数拟合结果（用于提取上升/下降时间）；h)10V偏压下剥离前S-PD与剥离后F-PD的性能对比；i)近年来非晶衬底上GaN基材料与器件的性能汇总。

文献：https://doi.org/10.1002/advs.202512193