宽禁带科技论|单晶4英寸超薄氧化镓及其日晷启发的高维日盲光电探测超系统

近日，东北师范大学刘为振、徐海洋团队与新加坡国立大学仇成伟团队在《Nature Communications》发表研究论文，报道了一种液态金属辅助合成与转移单晶、4英寸、超薄β-Ga₂O₃的方法。所制备的β-Ga₂O₃探测器在日盲波段实现了16.3 A W⁻1的高响应度、低于150 μs的快速响应和120 dB的宽线性动态范围，各向异性比经超表面优化后达到创纪录的28.8，并构建了日晷启发的高维日盲光电探测超系统，可同时探测入射方向、偏振和强度。

研究背景

超宽禁带氧化镓凭借其高击穿场强、高迁移率和优异的稳定性，是下一代集成光电器件的关键材料。然而，制备单晶氧化镓晶圆并开发高性能高维光电器件仍面临巨大挑战。 传统的制备方法包括导模法、提拉法、磁控溅射、MOCVD、MBE甚至机械剥离，但这些策略本质上难以同时实现大规模生产、衬底无关性、缺陷抑制、极高纯度和高结晶度。例如，MOCVD中难以消除的氧空位、MBE中对蓝宝石衬底的强依赖以及机械剥离中样品厚度不均匀可控等，都是制备过程中亟待克服的障碍。一种高质量、低成本、轻量化的制备方案仍然缺失。

图文导读

液态金属辅助合成：紫外曝光氧化策略

针对传统制备方法的局限，研究提出了一种液态金属紫外曝光氧化方案。制备过程始于金属Ga在30 °C衬底加热温度下熔化，在高功率紫外辐照下，自限制纳米级氧化镓薄膜在数分钟内形成。旋涂仪施加的外部离心力加速了表面超薄氧化膜与液态Ga的分离，原始的顶底层二维氧化物留在6英寸Si/SiO₂衬底中心。氧化物薄膜通过范德华力牢固地附着在衬底上，60 °C热乙醇湍流净化薄膜表面，去除未氧化的液态镓。最后，800 °C后退火处理显著改善结晶度，将非晶薄膜转变为二维β-Ga₂O₃。

图1 单晶4英寸超薄β-Ga₂O₃薄膜的制备与性质分析

图1a为完整的制备流程示意，图1b为旋涂分离机理。在最优条件（转速200 r min⁻1）下成功制备了均匀的4英寸二维氧化镓薄膜。原子力显微镜显示薄膜厚度仅7.5 nm，粗糙度低至0.12 nm。 高分辨透射电镜和选区电子衍射确认所制备的超薄薄膜为β-Ga₂O₃，即氧化镓中最稳定的物相。角分辨偏振拉曼光谱在不同采样点显示出高度一致的4重对称取向，确认了二维β-Ga₂O₃中晶格排列的规整性。

液态金属辅助转移：共价键介导的灵活转移

研究进一步推进了液态金属辅助转移技术。Ga₂O₃体材料具有适当的表面能（0.34 J m⁻2），与经典石墨和硫化钼体材料相当。 采用改进的机械剥离工艺，以凝固的液态金属作为粘附层，直接将合成的S4U β-Ga₂O₃撕下，成功将完整的矩形β-Ga₂O₃薄膜转移到4英寸Si/SiO₂衬底上，还构建了交叉堆叠的超薄β-Ga₂O₃同质结。

图2 利用液态金属转移单晶4英寸超薄β-Ga₂O₃的策略

图2a的差分电荷密度分布显示了Ga与(100) β-Ga₂O₃界面处清晰的共价键特征。图2b展示了转移到4英寸衬底上的完整矩形薄膜。由于二维氧化镓与金属之间的相互作用可通过表面处理来破坏，等离子体处理可以实现图案化转移，图2c展示了“NENU”图案的转移结果。图2d展示了基于S4U β-Ga₂O₃的集成电路设计，紫外荧光显微镜图像中清晰的边界为未来电极引入和改善电接触提供了优异的前提条件。

超表面优化的各向异性日盲探测

地球臭氧层几乎完全吸收太阳辐射中200–280 nm的波长成分，日盲探测不会受到阳光或其他环境光的影响。 Ga₂O₃的超宽禁带（>4.5 eV）为设计紫外敏感器件提供了理想基础。基于S4U β-Ga₂O₃薄膜的金属-半导体-金属水平探测器的响应区域（225–315 nm）覆盖了日盲波段，响应度在265 nm附近达到峰值16.3 A W⁻1。器件呈现线性响应和120 dB的宽线性动态范围，响应时间（上升/下降136.1/88.4 μs）与当前最先进的二维层状半导体光电探测器相当。如此优异的性能源于紫外敏感材料固有的光电导特性，光生载流子输运不受界面散射效应或氧空位缺陷态的捕获与释放限制。

图3 单晶4英寸超薄β-Ga₂O₃的各向异性日盲响应

图3a显示响应区域覆盖日盲波段，响应度峰值16.3 A W⁻1。图3b展示120 dB的宽线性动态范围。图3c为响应时间136.1/88.4 μs。

单斜β-Ga₂O₃属于C2/m空间群的低对称结构，其各向异性本质源于极化相关光学跃迁选择定则：当入射光电场矢量平行于b轴时，直接跃迁发生在更宽带隙（~4.7 eV）；当E//c轴时仅发生在更窄带隙（~4.5 eV）。图3d显示光电流密度最大值和最小值分别出现在90°（E//c轴）和0°（E//b轴）。超表面设计中，当电极宽度为265 nm等于入射波长，且占空比为0.5时，各向异性比达到最优值28.8（图3f）。基准显示，本工作同时实现了高响应度、快速响应速度和强各向异性，综合性能最接近理想角落（图3g），已超越主流低维材料的偏振探测结果。

日晷启发的高维探测超系统

受日晷通过确定太阳在天空中的相对位置来大致确定时间的启发，研究利用三维空间中的投影来分析日盲辐照信息，构建了一个基于Ga₂O₃的多功能超系统，用于解码高维日盲光学信息。

图4 日晷启发的高维日盲光电探测超系统功能演示

图4a为日晷原型示意。图4b中，超系统由两部分构成：非晶Ga₂O₃薄膜垂直覆盖并封装微米级二氧化硅圆柱，两端设置Au电极；S4U β-Ga₂O₃薄膜转移到水平面上，150对Au电极加工成同心扇形条纹图案。整个探测超系统由36个超单元构成完整圆形图案。

非晶Ga₂O₃圆柱探测器用于识别入射偏振光的功率密度，因其对光偏振不敏感，光电流密度与功率之间呈线性关系（图4e）。极角β相关的光响应测量中（图4f），光电流密度在不同超单元间表现出显著差异，最大值记录在β=±180°方向，光响应不对称因子高达约17，表明该系统在识别日盲辐照线偏振态方面具有优异能力，线偏振角θ等于最大电流值对应超单元的极角。

入射方向的确定通过收集每个超单元内各个器件的光电流密度实现（图4g）。在特定区域中，由于垂直非晶Ga₂O₃探测器的阴影，部分单元的电流沿径向突然增大，该超单元的极角β被指定为二维平面中入射光的方位角。在掠入射条件下，通过暗电流密度沿极半径的分布距离确定圆柱投影的阴影长度，空间角α通过圆柱探测器高度与阴影长度的正切几何关系计算得出，最小分辨率可低至0.06°。空间角α和极角β共同帮助近似确定入射光的传播方向。

结论与展望

（1）提出了一种液态金属紫外曝光氧化与后退火相结合的方法，成功合成了单晶、4英寸、超薄（7.5 nm）的β-Ga₂O₃晶圆，粗糙度仅0.12 nm。

（2）基于S4U β-Ga₂O₃的光电探测器实现了日盲波段的综合优异性能：响应度16.3 A W⁻1、响应时间低于150 μs、线性动态范围120 dB。

（3）通过β-Ga₂O₃本征各向异性与超表面结构设计，各向异性比优化至创纪录值28.8，同时解决了快速响应与高响应度之间的权衡问题。

（4）受日晷启发构建的高维日盲光电探测超系统，可同时探测入射方向、偏振和强度，为下一代日盲通信架构探索了一条有前景的制备路线。

尽管仍需进一步研究，但S4U β-Ga₂O₃的制备技术和超系统设计都为下一代日盲通信架构提供了有前景的技术路径。