近日，山東大學聯合了香港城市大學與九州大學研究團隊提出了一種名為“誘導契合生長（Induced Fit Growth）”的新方法，可在非晶氧化鎵（GaOx）模板上實現鎵基半導體薄膜的生長。這一方法有望突破傳統外延對晶格匹配的嚴格要求，使鎵基半導體能夠在更多類型基底上實現高質量生長。
研究人員將這種生長機制類比為生物體系中的“誘導契合”。在生物體內，酶能夠引導多肽鏈正確折疊為具有功能的蛋白質結構，而不是形成無序結構。類似地，在該研究中，非晶GaOx薄膜中存在的局部金屬鎵區域可以誘導鎵基化合物有序排列，從而形成晶體結構。通過這種方式，即使在非晶模板上也能實現有序晶體生長，為半導體材料在不同基底上的集成提供了新的可能。
在實驗中，研究人員首先利用液態金屬范德華剝離法制備非晶GaOx薄膜。具體做法是將硅或二氧化硅基底輕壓在加熱的液態鎵表面，當基底從液態金屬表面抬起并暴露在空氣中時，其表面會形成一層非晶氧化鎵薄膜。隨后通過沸騰酒精沖洗樣品，以去除殘留的液態鎵微滴，從而得到均勻的GaOx模板。
隨后，研究團隊在雙溫區水平管式爐中進行誘導契合生長實驗。裝置上游區域放置鎵基半導體粉末作為蒸發源，下游區域放置GaOx模板。上游溫度控制在750–850℃之間，下游溫度則根據材料類型設定在400–550℃。系統壓力約為7mTorr，載氣為氮氣，并在降溫至室溫的過程中持續保持氣體流動，以穩定薄膜結構。
研究重點集中在銻化鎵（GaSb）薄膜的生長。實驗結果表明，在500℃條件下生長90分鐘時，樣品表現出最強的X射線衍射峰，說明其晶體質量最佳。除了GaSb之外，研究團隊還成功制備了硒化鎵（GaSe）、砷化鎵（GaAs）以及GaAsSb合金薄膜，顯示出該方法具有較好的通用性，可適用于多種鎵基化合物半導體材料。
研究人員還發現，如果采用旋涂方法制備GaOx薄膜，則難以實現類似的半導體生長效果。分析認為，這是因為旋涂GaOx中缺少富含金屬鎵的區域。而在液態金屬剝離得到的GaOx薄膜中，存在部分未完全氧化的金屬Ga區域，這些區域能夠作為晶體生長的“種子”，使Ⅴ族元素能夠有序附著并形成晶體島結構。
隨著生長時間延長，這些晶體島逐漸擴大并相互連接，最終形成致密且連續的薄膜結構。從晶體生長機制來看，該過程與傳統外延技術中的外延層側向生長（ELO）具有一定相似性。在ELO中，小面積晶體窗口可作為晶體生長的種子區域，而在誘導契合生長中，GaOx中的金屬Ga區域則承擔了類似的晶體成核作用。
在器件應用方面，研究團隊利用該薄膜材料制備了薄膜晶體管（TFT）和光電探測器。實驗結果顯示，基于GaSb薄膜的背柵TFT表現為p型器件，其溝道材料在最佳生長條件下實現約0.25 cm2/V·s的空穴遷移率。同時，該器件還表現出類似生物神經突觸的響應行為，可模擬雙脈沖促進（PPF）、脈沖頻率依賴可塑性（SRDP）以及脈沖時間依賴可塑性（STDP）等神經突觸功能。
此外，研究團隊還制備了基于該薄膜的紅外光電探測器。在800–1550 nm紅外波段，該器件表現出良好的光電響應能力，其最大光響應度可達到3170 mA/W，探測率最高約為5.3×10? Jones，并成功演示了成像陣列和全方向光感知能力。研究人員認為，該技術為在多種基底上構建功能化半導體器件提供了新的思路，并有望推動柔性電子、紅外探測及類腦計算等領域的發展。
