北京大学刘忠范院士＆中科院半导体所魏同波＆苏州大学孙靖宇Adv. Sci——面向柔性光电 ...

3D 异质集成正在成为推动多功能半导体发展的关键技术，尤其在柔性与可穿戴设备中展现出巨大潜力。通过将 III–V 氮化物薄膜与硅平台堆叠，不仅可以弥补硅基光源的不足，还能充分发挥 III–V 材料可调带隙和高波长选择性的天然优势。传统的转移方式，如化学剥离和激光剥离，虽然能够实现薄膜释放，但存在薄膜完整性难以保障、工艺复杂、成本高以及界面损伤等问题。相比之下，基于二维材料的准范德华外延或远程外延为 III–V 氮化物的机械剥离提供了新的可能，既能缓解晶格与热失配造成的高应变和位错，又能利用其弱层间耦合实现厚度可控、界面平整、低损伤的膜片分离。然而，在二维材料表面进行等离子体或氨气处理以提供成核位点时，往往会破坏其结构，导致孔洞式外延甚至剥离失败；同时，如何在防止自发脱层和避免剥离裂纹之间取得平衡依然是一大难题。当前，产能受限和裂纹不可控已成为制约柔性器件与 3D 集成进一步发展的瓶颈，因此亟需一种可控、可重复的剥离策略，以充分发挥二维材料的双重功能：既作为高质量氮化镓外延的生长模板，又充当便于释放的剥离层，从而实现无裂纹的薄膜制备。

基于此，北京大学刘忠范院士、中科院半导体所魏同波研究员和苏州大学孙靖宇教授基于SiO2与少层石墨烯（Gr）作为缓冲层的组合，通过化学蚀刻实现了GaN薄膜的无损剥离。首先在SiO2/Si(100)基板上直接生长连续的石墨烯，并在此非晶基板上实现了GaN薄膜的直接准范德华外延（QvdWE）生长。QvdWE生长不仅有助于引导GaN晶体的统一取向并提高晶体质量，还通过化学蚀刻SiO2实现GaN薄膜在晶圆级上的无损转移至外部基板，同时回收Si(100)基板供再次使用。此外，成功制造了无裂纹的柔性垂直发光二极管（LED）和紫外光探测器（UV-PD）器件。这些成果在III-V族器件与硅平台的集成以及三维集成应用中具有广泛的潜力。该文章以“Wafer-Scale Manufacturing and Crack-Free Transferring of GaN-Based Membranes for Flexible Optoelectronics”为题发表在国际顶级期刊Advanced Science上。

图2-高低温 AlN 缓冲层对 GaN 外延质量的影响：图2系统比较了不同温度下 AlN 缓冲层对 GaN 外延质量的影响。在低温（660 °C）下形成的 AlN 核岛稀疏且尺寸小，导致 GaN 外延呈现多晶特征；而高温（1200 °C）下形成的核岛密度高、尺寸大，显著改善了 GaN 的择优取向。XRD、摇摆曲线与 EBSD 图像共同表明，高温 AlN 缓冲层下的 GaN 具有均一的 c 轴取向，半峰宽仅 0.56°，晶体质量大幅提升。AFM 结果显示其表面原子台阶清晰、粗糙度极低，接近单晶质量。结合理论计算，研究进一步揭示 GaN/石墨烯体系中可能存在多种晶格匹配关系，但整体仍能保持近单晶的宏观结构，凸显 HT-AlN 的关键作用。

图3-GaN 基柔性LED的制备与光学性能：图3展示了基于剥离 GaN 膜的柔性 LED 的制备与性能对比。生长在 Si(100) 上的 LED 发出强烈蓝光，电致发光峰位约 445 nm，XRD 结果证明 MQWs 具有良好周期性与高质量。剥离后的 GaN 膜被制成柔性 LED，在弯折状态下仍能保持稳定发光，峰位约 450 nm，显示出优异的机械柔性与光学稳定性。SEM 与 AFM 结果表明剥离表面平滑低损伤，粗糙度仅 1.34 nm。对比剥离前后光谱，发现峰位出现轻微红移、半峰宽展宽，这与应变释放和界面接触差异相关。拉曼光谱进一步验证剥离过程中 GaN 应变由张应变释放转为局部压应变，从而增强了量子限制斯塔克效应。整体结果说明，该方法制备的柔性 LED 在剥离后依旧保持高性能与良好可靠性。

图4-GaN 基紫外光探测器（UV-PD）的电学与光学性能：图4展示了 MSM 结构 GaN 紫外探测器在剥离前后的电学与光学性能。器件在 365 nm 紫外光下表现出显著光电流响应，剥离并转移至柔性基底后依旧保持稳定工作。I-V 曲线显示其暗电流极低，光电流对光强变化灵敏且可重复。响应谱表明，柔性探测器的紫外/可见比高达 3176，远超未剥离器件。时间响应测试显示其上升时间约 139 ms、下降时间约 228 ms，展现出良好的开关速度。剥离前后性能对比进一步证实柔性器件仍具高灵敏度和实用性。最后，研究还将本成果与近年来在非晶衬底上制备的 GaN 器件进行对比，凸显了其在晶体质量、响应灵敏度与应用潜力上的综合优势。

【文献总结】

文章在兼容 CMOS 工艺的 SiO₂/Si(100) 衬底上直接生长石墨烯，并在其上引入高温 AlN 缓冲层，制备了晶圆级、近单晶质量且具有高度 c 轴取向的 GaN 薄膜。通过简单的化学蚀刻，可高效、无损地剥离出大面积 GaN 膜。该方法显著改善了 GaN 的晶体质量，并成功制备出具备强蓝光发射的柔性垂直 LED，以及具备快速响应和高可靠性的柔性紫外探测器。研究成果不仅突破了 III–V 光源与硅基异质外延的关键难题，还为混合集成与柔性应用提供了新路径，有望加速新一代无机光电器件的发展。

文章信息：Y. Q. Gao, K. X. Zhou, Z. T. Liu et al. Wafer-Scale Manufacturing and Crack-Free Transferring of GaN-Based Membranes for Flexible Optoelectronics. Adv. Sci. e12193 (2025).

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