基于诱导拟合生长法的Ga基半导体薄膜及其在类脑电子与光电器件中的应用

《Light-Science & Applications》：Induced fit growth of Ga-based semiconductor thin films for brain-inspired electronics and optoelectronics

本研究针对传统半导体薄膜生长技术存在衬底依赖性强、加工复杂等问题，提出一种受分子生物学"诱导拟合"理论启发的Ga基半导体薄膜生长新方法。通过气相沉积在任意衬底上成功制备了厚度与形貌可控的GaSb、GaSe、GaAs等薄膜，并展示了其在p型晶体管阵列（空穴迁移率达0.25 cm2V-1s-1）、突触器件和柔性全向成像传感器等领域的应用潜力，为下一代电子/光电器件提供了新的材料平台。

　　

在当今信息技术飞速发展的时代，柔性电子设备和集成光电器件对半导体薄膜提出了更高要求。然而，传统的晶体薄膜生产技术通常需要特定的生长衬底，这给它们在柔性电子和集成光电器件中的应用带来了巨大挑战。就像一把钥匙只能开一把锁，现有的外延生长技术严重依赖衬底的晶格匹配，极大地限制了半导体薄膜的应用范围。

为了解决这一难题，研究人员从分子生物学中获得了灵感。在酶与底物的相互作用中，存在着著名的"诱导拟合"理论：当底物与酶结合时，会诱导酶发生构象变化，从而更好地实现结合。受此启发，研究团队开发出一种名为"诱导拟合生长"的新方法，成功实现了Ga基半导体薄膜在任意衬底上的生长。

这项发表在《Light-Science & Applications》上的研究，采用了一种创新的技术路线。研究人员首先通过液态金属范德华剥离法制备非晶GaO_x薄膜，该方法兼容标准的半导体工艺。随后利用气相沉积技术，在晶圆级尺度上实现了GaSb、GaSe、GaAs和GaAsSb等多种Ga基半导体薄膜的可控制备。通过调控生长温度和持续时间，能够精确控制薄膜的厚度和表面粗糙度。材料表征方面，采用了X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）等分析手段，并结合第一性原理计算深入探究生长机制。

诱导拟合生长Ga基半导体薄膜

研究团队成功在1.8 cm × 1.8 cm的尺度上制备出均匀的GaSb薄膜，其表面粗糙度（RMS）为5.76 nm。通过调节生长时间（3-120分钟）和温度（300-600°C），发现500°C下生长90分钟可获得最佳结晶质量。高分辨透射电镜（HRTEM）显示薄膜与衬底之间存在0.37 nm厚的非晶GaO_x界面层，这一结构特征对后续器件性能具有重要影响。

诱导拟合生长方法的生长机制

X射线光电子能谱（XPS）分析表明，剥离制备的GaO_x薄膜中含有游离的金属Ga原子，这些原子在GaSb薄膜生长过程中发挥了关键作用。第一性原理计算进一步证实，Ga原子在GaO_x薄膜中具有向外扩散的趋势，而Sb蒸气原子更容易与Ga原子结合。这种选择性结合机制正是诱导拟合生长方法的核心所在。

GaSb薄膜的图案化和电学性能

研究团队成功将GaSb薄膜图案化为微米级精度的中国十二生肖图形，展示了其良好的加工性能。基于图案化薄膜制备的晶体管阵列表现出典型的p型导电特性，空穴迁移率最高达到0.25 cm²V^-1s^-1，电流密度为0.1 μA μm^-1。20个器件测试结果显示其具有良好的性能均匀性，为大规模集成电路应用奠定了基础。

GaSb薄膜的突触行为

得益于界面GaO_x薄膜中的丰富陷阱，GaSb薄膜晶体管展现出优异的突触行为。研究人员成功模拟了短期可塑性（STP）向长期可塑性（LTP）的转变、配对脉冲易化（PPF）、脉冲频率依赖性可塑性（SRDP）和脉冲时序依赖性可塑性（STDP）等多种神经突触功能。这些功能对于实现神经形态计算和人工智能应用具有重要意义。

GaSb薄膜的光电探测性能

在近红外（NIR）光电探测方面，GaSb薄膜表现出优异的性能。在850 nm激光照射下，其响应度（R）达到3170 mA W^-1，探测率（D*）为5.3 × 10⁹Jones。更令人印象深刻的是，基于柔性云母衬底制备的光电探测器在经历900次弯曲循环后仍保持稳定性能，且在入射角低至5°时仍能保持64%的光响应，展现出卓越的全向探测能力。

诱导拟合生长方法的普适性

该方法不仅适用于GaSb，还成功应用于GaSe、GaAs和GaAsSb等其他Ga基半导体薄膜的制备。这些薄膜均表现出良好的结晶质量和光电性能，证实了诱导拟合生长方法的广泛适用性。其中GaAsSb薄膜同样展现出突触行为，而不同组分的薄膜覆盖了从紫外到红外的宽光谱探测范围。

研究结论与展望

本研究开发的诱导拟合生长方法，成功解决了传统半导体薄膜生长中的衬底依赖问题。通过在任意衬底上实现Ga基半导体薄膜的可控制备，为柔性电子和集成光电器件的发展提供了新的材料平台。特别是在神经形态计算和柔性光电探测领域，这些薄膜展现出的优异性能预示着广阔的应用前景。

值得注意的是，该方法生长的GaSb薄膜还具有热电应用潜力，而GaAs在抗辐射器件、GaSe在铁电存储器等领域都有望发挥重要作用。这种基于诱导拟合理论的生长策略，不仅为Ga基半导体薄膜的制备开辟了新途径，也为其他功能材料的可控制备提供了重要借鉴。随着后续研究的深入，如在GaSb中进行掺杂或纳米结构化，有望进一步提升其热电性能，拓展其在能源领域的应用。

这项研究的成功，标志着我们在实现真正意义上的"衬底无关"半导体薄膜生长道路上迈出了重要一步，为未来多功能、柔性化电子光电器件的发展奠定了坚实基础。