【会员论文】Nat Commun丨东北师范大学刘益春院士团队利用液态金属辅助制备4英寸超薄β-Ga₂O₃单晶，实现高维日盲光电探测新突破

        由东北师范大学联合新加坡国立大学的研究团队在学术期刊 Nature Communications 发布了一篇名为 Single-crystal, 4-inch and ultrathin gallium oxide for sundial-inspired high-dimensional solar-blind photodetection metasystem （4 英寸超薄氧化镓单晶，用于受日晷启发的多维日盲光电探测超系统）的文章。

        超宽禁带氧化镓（β-Ga₂O₃）因其高击穿电场、高载流子迁移率以及优异的稳定性，成为下一代集成光电器件（尤其是日盲紫外探测）的理想材料；然而，传统的制备方法（如 MOCVD、MBE、机械剥离等）在制备大面积、衬底独立、无缺陷且厚度均匀的超薄单晶薄膜上面临着巨大的工艺挑战，同时现有的日盲探测器多倾向于单一的功能性输出，难以在微纳单一系统中集成高维度的光学信息感知（如同时探测光强、偏振和入射方向），这限制了其在下一代高安全、抗干扰日盲通信中的应用。

        超宽带隙氧化镓为开发短波长光电器件提供了巨大的可能性。然而，生产单晶氧化镓晶圆和开发高性能高维光电器件极具挑战性。本文展示了一种液态金属辅助策略，可直接合成并转移单晶、大面积且超薄的 β-Ga₂O₃。得益于液态镓的紫外线暴露氧化及其与镓的强相互作用，该团队的 β-Ga₂O₃ 薄膜尺寸达到 4 英寸晶圆级，厚度为 7.5 nm，且可实现柔性转移操作。该日盲 β-Ga₂O₃ 探测器具有高响应率（16.3 AW^-1）、快速响应（＜ 150 us）和宽线性动态范围（120 分贝）。通过采用超表面设计，基于 Ga₂O₃ 的探测器的各向异性比创纪录地达到了 28.8 的高值。此外，该团队还开发了一种受日晷启发的超系统，可同时检测日盲照射的入射方向、偏振和强度。这些发现展示了高质量 Ga₂O₃ 晶圆在高维光探测方面的潜力，为下一代日盲通信铺平了道路。

        ·研究团队开发了一种全新的液态金属镓辅助策略，在 30 ℃ 下通过高功率紫外光（265 nm LED）照射液态镓诱导表面自限域氧化，并结合旋转涂覆与热乙醇清洗，成功在硅衬底上直接生长并转移出单晶、大面积、超薄（S4U）的 β-Ga₂O₃ 薄膜。

        ·该方法成功制备出边界清晰、厚度仅为 7.5 nm、表面粗糙度仅为 0.12 nm 的 4 英寸均匀晶圆级 β-Ga₂O₃ 单晶薄膜，并证明固化后的液态金属与氧化镓界面具有清晰的共价键特征，为未来的柔性集成电路设计和图案化转移提供了极佳的工艺平台。

        ·基于该超薄单晶薄膜制备的 MSM 日盲探测器，在 265 nm 照射下表现出极其优异的综合电学性能：响应率高达 16.3 AW^-1，响应时间小于 150 us（上升/衰减时间为 136.1/88.4 us），线性动态范围（LDR）达到 120 dB，全面超越了传统工艺制备的同类器件。

        ·利用 β-Ga₂O₃ 单斜晶系低对称性带来的本征光学各向异性（沿 b 轴与 c 轴的带隙选择性吸收差异），研究团队进一步通过电子束曝光（EBL）设计了金电极超构表面。当电极宽度与入射波长（265 nm）匹配且占空比为 0.5 时，通过光学共振（OR）将偏振探测的各向异性比（AR）提升至 28.8，创下了氧化镓薄膜器件的历史最高纪录。

        ·受传统日晷通过影子测量太阳位置的启发，团队将“垂直方向的微米级二氧化硅圆柱非晶氧化镓探测器”与“水平方向的 36 个超构表面扇形单晶氧化镓探测器单元（共 150 对微纳电极）”集成，构建出了一个 3D 光电超构系统。该系统能够在不依赖复杂模块组装的情况下，仅凭电流信号同时解调出未知日盲光的三个高维核心信息：入射功率密度（光强）、偏振方向以及空间入射角度（三维传播方向，角度分辨率可达 0.06°），为下一代高安全性日盲偏振通信开辟了全新路线。

        综上所述，本篇文章报道了一个整体框架，通过液态金属镓的紫外线曝光和后续退火工艺，合成 4 英寸超薄 β-Ga₂O₃ 单晶片。所制备的 β-Ga₂O₃ 晶片还可以通过与固化的金属 Ga 进行共价键合，以特定图案灵活转移，为构建集成的前端器件架构提供了一种有效方式。基于 S4U β-Ga₂O₃ 的光电探测器实现了终极综合性能（高响应率为 16.3 AW^-1，响应时间小于 150 μs，在太阳盲区具有 120 dB 的宽线性动态范围）。由于 β-Ga₂O₃ 的固有各向异性和超表面结构，各向异性比已优化至创纪录的 28.8。这种技术方法不仅缓解了快速响应与高响应率之间的权衡问题，还扩展了基于 Ga₂O₃ 的光电探测系统中的偏振维度。受日晷设计的启发，该团队构建了一个高维度的日盲光电探测超系统，该系统能够同时检测日盲照射的入射方向、偏振和强度。尽管仍需进一步研究，但该团队的 S4U β-Ga₂O₃ 制备技术和超系统设计都探索并推进了一条有前景的生产路线，以实现下一代日盲通信架构。

        本工作得到了以下资助：国家重点研发计划（编号：2023YFB3610200）、国家杰出青年科学基金项目（编号：52025022）、国家自然科学基金项目（编号：62574038和62275045）、吉林省基金（编号：SKL202602014JC）。C.-W.Q.感谢新加坡科技研究局（A*STAR）NSTIC基金（WBS：A-8003984-00-00）的支持。

图1 | 4 英寸超薄 β-Ga₂O₃ 单晶薄膜的制备与性能分析。

图2 | 使用液态金属转移 4 英寸超薄 β-Ga₂O₃ 单晶的策略。

图3 | 4 英寸超薄 β-Ga₂O₃ 单晶的各向异性日盲响应。

图4 | 受日晷启发的日盲高维光检测超系统的功能演示。

DOI:

doi.org/10.1038/s41467-026-75058-w