APM | 中科院理化所刘静团队:基于液态金属镓靶材的磁控溅射制备P型GaN半导体薄膜的低成本方法

文摘   2024-12-05 10:25   江苏  


GaN作为第三代半导体,由于其宽禁带、耐高温和高临界击穿电场等特性,在大功率器件、紫外光电探测器与微型LED显示器等领域有着广泛的应用。传统上的化学气相沉积,如金属有机化学气相沉积以及氢化物气相外延在GaN薄膜制备领域占有重要地位,然而其反应过程中往往要用到有毒前驱体和腐蚀性气体,且制备温度较高。磁控溅射作为一种成熟的薄膜沉积工艺被广泛使用,然而所使用的GaN靶材通常需要繁琐的制备流程,且溅射过程中存在开裂等问题。


为此,本研究提出了一种不同于传统的高效率制备方法,基于液态金属Ga与CuGa2在酸性条件下良好的润湿特性,开发出一种简单、低成本的镓靶材,并通过在氮气下的反应溅射实现了微晶/非晶混合的P型GaN半导体薄膜的制备。如图1所示为镓靶材制备流程,其原理是当Ga液滴接触到经CuCl2处理过的Cu表面时,由于氧化还原反应,Cu2+被Ga置换出来。同时,Ga的吞噬作用产生 Cu-Ga 金属间化合物,驱动液态Ga润湿。由于 Ga-Ga 和 Ga-Cu 原子的价电子相互作用形成金属键,这种强吸附相互作用促进了润湿。图2通过高分辨透射电子显微镜(TEM)观察到了GaN薄膜由大小约为 5-10 nm 的晶体颗粒组成;而相应选区电子衍射(SAED)图像与典型的多晶衍射图谱不同,除了具有明显的衍射斑点,仍然可以清楚地观察到与非晶有关的漫射环,其原因可能源于沉积过程中高能粒子轰击GaN造成的N缺失。文章最后对制备的GaN薄膜在薄膜晶体管和紫外探测方面的应用进行了探究(图3)。


图1 液态金属镓靶材的制备工艺及由反应溅射生成GaN的过程示意


图2 GaN薄膜的TEM图像及对应的SAED图像


图3 GaN薄膜电学输运行为及其场效应晶体管、光电探测器应用特性


团队介绍



刘静,本文通讯作者,中国科学院理化技术研究所研究员,清华大学生物医学工程学院教授,2003年国家杰出青年科学基金获得者。长期从事液态金属研究并做出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象与基础效应,开辟了液态金属在芯片冷却、印刷电子学/半导体、生物医学材料学以及柔性机器人等领域突破性应用并建立理论与应用技术体系,成果被New Scientist、Technology Review、CCTV《栋梁之材》等广泛评介,激发了世界范围的研究热潮;还提出并推动了中国液态金属谷以及液态金属新工业的创建和发展,研发的诸多液态金属技术及装备、大型肿瘤治疗设备-康博刀系统及系列无线移动医学仪器等得到广泛应用。刘静教授曾获国际传热界最高奖之一“威廉·伯格奖”、全国首届创新争先奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次,入选CCTV年度十大科技创新人物、两次获得中科院在京科技成果转化先进团队特等奖,10次以上获得中科院及清华大学优秀教师和优秀研究生指导教师称号等。


崔云涛,本文通讯作者,中国科学院理化技术研究所项目副研究员,中国科学院知识产权专员,致力于液态金属表界面行为及其应用研究。近年来,系统揭示了镓基液态金属/镓金属间化合物界面润湿行为,并基于此发展出新型可重复使用的液态金属靶材,采用磁控溅射技术制备了多种镓基功能薄膜材料。已在ACS Applied Materials & Interfaces,Advanced Materials Interfaces, APL Materials,Surfaces and Interfaces等国际材料期刊和工程期刊SCI检索论文20余篇。


陈雪庆,本文第一作者,中国科学院理化技术研究所博士生。主要研究方向液态金属半导体制备及应用。在Journal of Alloys and Compounds,Surfaces and Interfaces,APL Materials等期刊发表学术论文8篇。


文章信息



A low-cost and convenient route of fabricating GaN films with P-type mixed microcrystalline and amorphous structure deposited via Ga target of magnetron sputtering

Xueqing Chen, Nan Li, Zerong Xing, Jiasheng Zu, Xianwei Meng, Zhuquan Zhou, Qian Li, Lifeng Tian, Yuntao Cui, Jing Liu

APL Mater. 12, 081112 (2024)

https://doi.org/10.1063/5.0217625

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来源:AIP Publishing

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