[发明专利]可转移氧化镓单晶薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及可转移氧化镓单晶薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤：通过电化学刻蚀技术制备纳米多孔GaN薄膜；采用有机金属化学气相沉积技术在纳米多孔GaN薄膜上外延生长氧化镓单晶薄膜；采用PDMS压印技术转移氧化镓单晶薄膜；采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术去除GaN层，完成制备。本方法可制备大面积(cm²)、可转移至任何衬底(如：硅、塑料、金属)上的氧化镓单晶薄膜，不仅规避了机械剥离之缺点，而且还规避了氧化镓单晶衬底热导率差、不导电、价格昂贵、难以光电子集成等难题，所制备的薄膜可用于柔性半导体光电器件。

技术领域

本发明涉及可转移氧化镓单晶薄膜的制备方法，属于半导体光电子材料技术领域。

背景技术

氧化镓(Ga₂O₃)是一种宽禁带半导体材料。与第三代半导体材料的典型代表氮化镓(GaN，禁带宽度：3.4eV；击穿电场：3.5MV/cm)和碳化硅(SiC,禁带宽度：3.4eV)相比，单斜晶系的氧化镓具有更宽禁带宽度(～4.9eV)、更高的击穿电场强度(8MV/cm)和更好的化学和热稳定性，其在场效应晶体管、肖特基势垒二极管、日盲区(200-280nm)光电探测器等方面具有广阔的应用前景，并已取得令人振奋的结果。

半导体材料应用的主要形态结构是薄膜。与单晶薄膜相比，非晶、多晶薄膜具有较大的缺陷密度，这使得薄膜的发光效率、掺杂效率和耐压能力都比较低，很难用于制造高效率的半导体光电器件。作为无机半导体材料，氧化镓单晶薄膜只能生长在刚性衬底上(如：氧化镓、氧化镁、蓝宝石等单晶衬底)。如若克服生长衬底坚硬、无弹性、不易弯曲等缺点，氧化镓基器件势必在可折叠式显示、可植入式生物医学器件等领域具有广阔的应用前景。为此，人们通常利用氧化镓体单晶易于机械剥膜的特点，将剥离后的氧化镓转移至其他衬底上(如：硅、石英)，并制成具有良好光电特性的光电器件(参见W.S.Hwang,A.Verma,H.Peelaers,V.Protasenko,S.Rouvimov,H.Xing,A.Seabaugh,W.Haensch.C.Walle,Z.Galazka,M.Albrecht,R.Fornari,D.Jena,High-voltage field transistors withwide-bandgapβ-Ga₂O₃nanomembranes,Appl.Phys.Lett.2014,104:20311)。然而，机械剥离所获得的氧化镓薄膜具有厚度不可控、面积小(～μm²)且不可控、晶向不可控、电学性质单一等缺点，因此其很难获得广泛应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可转移氧化镓单晶薄膜的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种可转移氧化镓单晶薄膜的制备方法，其制备步骤包括：

步骤1：采用电化学刻蚀技术对生长在蓝宝石衬底上的GaN外延膜进行刻蚀，制备纳米多孔GaN薄膜；

步骤2：在刻蚀后的GaN薄膜上外延生长氧化镓(Ga₂O₃)单晶薄膜；

步骤3：采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)压印技术将具有GaN层的氧化镓单晶薄膜转移至其他衬底上；

步骤4：采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术去除GaN层，制备出可转移的氧化镓单晶薄膜，完成制备。

优选的，步骤2为以下两个方案之一：

A、采用后退火技术基本实现多孔GaN薄膜与蓝宝石衬底相分离，然后在GaN薄膜上外延生长氧化镓(Ga₂O₃)单晶薄膜；

或，