本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种自支撑ga2o3薄膜及其制备方法。
背景技术：
ga2o3的禁带宽度约为4.9ev，是一种新型的超宽禁带半导体材料。由于ga2o3的禁带宽度正好落在日盲紫外波段(200-280nm)，不受外界太阳光的干扰，日盲紫外光信号探测灵敏度极高，工作在此波段的日盲紫外通信几乎零误差，在军事、航天和航空中具有广泛的应用。ga2o3的击穿场强大(可达8mv/cm)，巴利加优值大，是场效应晶体管的理想材料。同时，ga2o3也可用作透明导电电极、信息存储器、气敏传感器、led基板等器件。
随着可穿戴电子设备在新兴电子技术中的兴起，可弯曲、轻便、灵活、柔性和透明的2d材料已经在新的电子技术中得到应用和发展，包括可穿戴式能量采集系统、可折叠电子设备、弯曲屏幕电子设备、软式便携设备和卷装显示器。将柔性、可弯曲、可伸缩、敏感的太阳盲区与其他弯曲装置相结合，将成为一种流行趋势。柔性紫外光电探测器可应用于便携式电子设备、显示设备等。
为了实现ga2o3薄膜在柔性器件上的应用，科研人员直接在柔性衬底上低温生长ga2o3的方法获得了非晶ga2o3柔性薄膜。但非晶材料在高温或其他恶劣环境(如强的酸性或碱性环境)中容易发生材料性质变化，导致器件性能不稳定。如果能通过一种方式既可以获得柔韧、独立的ga2o3薄膜实现相关柔性器件的制备，又可以保证高的结晶性，使器件在恶劣环境中性能稳定。同时，根据应用需求，对高结晶性的ga2o3薄膜进行剪切和进一步重组，将其组装在柔性衬底或刚性衬底上，实现其在器件中的应用。
技术实现要素：
本发明目的在于提出一种利用水溶性材料sr3al2o6制备了自支撑ga2o3薄膜的方法，可获得自支撑ga2o3薄膜。
所述自支撑ga2o3薄膜的制备方法具体为：在衬底上生长一层sr3al2o6薄膜后，再在所述sr3al2o6薄膜上生长一层ga2o3薄膜；将覆有两层薄膜的衬底放入水中，待sr3al2o6薄膜溶解后，分离衬底和ga2o3薄膜，即得自支撑ga2o3薄膜。
优选地，所述sr3al2o6薄膜的厚度为所述ga2o3薄膜的厚度的0.5～2倍；当所述sr3al2o6薄膜的厚度为所述ga2o3薄膜的厚度的0.5～1倍时，更易节约溶解时间，所获得的自支撑ga2o3薄膜完整性和结构稳定性更优。
本发明进一步采用如下制备方法制得所述自支撑ga2o3薄膜，具体步骤为：
1)第一次采用磁控溅射的方法在衬底上生长sr3al2o6薄膜；
2)在sr3al2o6薄膜上，第二次采用磁控溅射的方法生长ga2o3薄膜；
3)将步骤2)制得的样品放入水中，浸泡至sr3al2o6薄膜被溶解后，分离衬底和ga2o3薄膜，即得自支撑ga2o3薄膜。
本发明制得的薄膜可以在没有衬底依托的情况下独立存在。根据需要可以对自支撑ga2o3薄膜进行剪切和重组。也可以通过转移在柔性衬底上，进一步制备成ga2o3可弯曲式的器件。
其中，步骤2)生长ga2o3薄膜与最终得到的产品自支撑ga2o3薄膜的厚度一致。
本发明可根据实际需要控制所述的ga2o3薄膜的厚度。
本发明选用不参与反应且结构稳定的物质作为衬底，例如srtio3、al2o3、单晶si等；尤其优选采用单晶si。
为了有效保证所述sr3al2o6薄膜和所述ga2o3薄膜的厚度，以及sr3al2o6薄膜的溶解性能和ga2o3薄膜的综合性能。本发明进一步优化磁控溅射的溅射条件和溅射时间。
其中，步骤1)中所述磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至0.1×10-4～1×10-3pa，并调整衬底温度至400～800℃，以20～25sccm的流量通入氩气，保持气压为0.2～0.45pa，按70～100w的溅射功率，溅射0.5～3h。
当所述气压为0.3～0.4pa时，更利于sr3al2o6薄膜的后续溶解；当气压为0.35pa时，sr3al2o6薄膜的水溶性能最佳。
优选地，背底真空抽至0.1×10-4～1×10-3pa，并调整衬底温度至500～750℃，以22～24sccm的流量通入氩气，保持气压为0.3～0.4pa，按85～95w的溅射功率，溅射1.8～2.2h。
更优选的，所述磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至1×10-4pa，并调整衬底温度至500℃～750℃，以25sccm的流量通入氩气，保持气压为0.35pa，按90w的溅射功率，溅射2h。
其中，步骤2)中所述磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至0.1×10-4～1×10-3pa，并调整衬底温度至400～800℃，以20～25sccm的流量通入氩气，保持气压为0.6～1pa，按70～100w的溅射功率，溅射0.5～3h；
优选地，背底真空抽至0.1×10-4～1×10-3pa，并调整衬底温度至500～750℃，以22～24sccm的流量通入氩气，保持气压为0.7～0.9pa，按85～95w的溅射功率，溅射1.8～2.2h；
最优选地，所述磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至1×10-4pa，并调整衬底温度至500℃～750℃，以25sccm的流量通入氩气，保持气压为0.8pa，按80w的溅射功率，溅射2h。
在适应的气压下，氩气在磁控里形成ar离子，ar离子在磁场环境冲击氧化镓靶材，溅射出氧化镓分子沉积在衬底上形成氧化镓薄膜。
其中，所述分离具体为：将覆有ga2o3薄膜的衬底取出水面，待ga2o3薄膜上表面没有水分，ga2o3薄膜与衬底间还有水分的情况下，再缓慢倾斜放回水中，即可分离衬底和ga2o3薄膜。
所述水为本领域常用的、不影响反应的水，例如去离子水。
其中，所述衬底在使用前还包括清洁；
优选地，所述清洁具体为：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10～20分钟，取出再用去离子水充分冲洗，干燥，待用。
本发明提供一种优选方案，所述制备方法包括如下步骤：
1)以单晶si为衬底，第一次采用磁控溅射的方法在所述衬底上生长sr3al2o6薄膜；
第一次采用磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至0.1×10-4～1×10-3pa，并调整衬底温度至500～750℃，以22～24sccm的流量通入惰性气体，保持气压为0.3～0.4pa，按85～95w的溅射功率，溅射1.8～2.2h；
2)在sr3al2o6薄膜上，第二次采用磁控溅射的方法生长ga2o3薄膜；
第二次采用磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至0.1×10-4～1×10-3pa，并调整衬底温度至500～750℃，以22～24sccm的流量通入惰性气体，保持气压为0.7～0.9pa，按85～95w的溅射功率，溅射1.8～2.2h；
3)将步骤2)制得的样品放入水中，浸泡至sr3al2o6薄膜被溶解后，分离衬底和ga2o3薄膜，即得。
本发明制备过程简单，所用衬底为商业产品；本发明在制备过程中，采用商业化的制备方法磁控溅射生长水溶层sr3al2o6薄膜及ga2o3薄膜，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好。
本发明制备的自支撑ga2o3薄膜，面积大，可弯曲性好，方便剪切和重组，可以在便携式、柔性及可穿戴式设备上集成制备高频高功率场效应晶体管、日盲紫外探测器、透明导电电极、信息存储器、气敏传感器等新型器件，具有巨大的潜在应用价值。
附图说明
图1为制备自支撑ga2o3薄膜的流程图；
图2为实施例2制得的自支撑ga2o3薄膜；
图3为实施例2制得的自支撑ga2o3薄膜分别转移在柔性衬底pet和氧化铝衬底上的实物图；
图4为实施例2制得的自支撑ga2o3薄膜的紫外吸收光谱，图中的插图是计算的禁带宽度图；
图5为实施例2制得的自支撑ga2o3薄膜的stm图；
图6为实施例2制得的自支撑ga2o3薄膜做x射线光电子能谱测试得到的ga2o3的xps光谱图；
图7为对比例1～2生长有sr3al2o6薄膜和ga2o3薄膜的si衬底放入酒精或丙酮前后的对比图；
图8为对比例4～9制得的样品溶解效果对比图；
图9为实施例2和对比例5～9制得的样品放入水中30s的效果对比图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如下实施例采用si购置于合肥元晶科技材料有限公司，尺寸为：10mm×12mm×0.5mm。
si使用前需要具体清洁，具体为：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声15分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用。
实施例1
本实施例提供一种自支撑ga2o3薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)以单晶si为衬底，放入沉积室内，第一次采用磁控溅射的方法在所述衬底上生长sr3al2o6薄膜；
第一次采用磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至1×10-4pa，并调整衬底温度至500℃，以24sccm的流量通入氩气，保持气压par＝0.35pa，以90w的溅射功率，溅射2h。
2)在sr3al2o6薄膜上，第二次采用磁控溅射的方法生长ga2o3薄膜；
第二次采用磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至1×10-4pa，并调整衬底温度至500℃，以24sccm的流量通入氩气，保证气压为par＝0.8pa，以80w的溅射功率，溅射2h。
3)将步骤2)制得的样品放入去离子水中，静置6h，用镊子倾斜着取出样品，待ga2o3薄膜上表面没有水分，ga2o3薄膜与衬底间仍有水分，再缓慢地倾斜放回去离子水中，ga2o3薄膜会脱离si衬底漂浮在水面上，即得自支撑ga2o3非晶薄膜。
本实施例制得的自支撑ga2o3薄膜为非晶型。
图1所示，制备自支撑ga2o3薄膜的流程图。
实施例2
本实施例提供一种自支撑ga2o3薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)以单晶si为衬底，放入沉积室内，第一次采用磁控溅射的方法在所述衬底上生长sr3al2o6薄膜；
第一次采用磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至1×10-4pa，并调整衬底温度至750℃，以24sccm的流量通入氩气，保持气压par＝0.35pa，以90w的溅射功率，溅射2h。
2)在sr3al2o6薄膜上，第二次采用磁控溅射的方法生长ga2o3薄膜；
第二次采用磁控溅射的具体条件为：背底真空抽至1×10-4pa，并调整衬底温度至750℃，以25sccm的流量通入氩气，保持气压par＝0.8pa，以80w的溅射功率，溅射2h。
3)将步骤2)制得的样品放入去离子水中，静置6h，用镊子倾斜着取出样品，待ga2o3薄膜上表面没有水分，ga2o3薄膜与衬底间仍有水分，再缓慢地倾斜放回去离子水中，ga2o3薄膜会脱离si衬底漂浮在水面上，即得自支撑ga2o3非晶薄膜。
图2为本实施例制得的自支撑ga2o3薄膜。
图3是分别将自支撑ga2o3薄膜转移在柔性衬底pet和氧化铝衬底上的实物图。
图4为本实施制得的自支撑ga2o3薄膜的紫外吸收光谱，图中的插图是计算的禁带宽度图；
图5为本实施例制得的自支撑ga2o3薄膜的stm图；
图6为本实施例制得的自支撑ga2o3薄膜做x射线光电子能谱测试得到的ga2o3的xps光谱图；
对比例1～2
本对比例提供一种ga2o3薄膜的制备方法，与实施例2的区别仅在于，分别将步骤3)中将水替换为酒精以及丙酮；
如图7所示，步骤3)将生长有sr3al2o6薄膜和ga2o3薄膜的si衬底放入酒精或丙酮前后的对比图；可见sr3al2o6薄膜没有任何改变，sr3al2o6薄膜未能溶解，衬底和ga2o3薄膜无法分离。
对比例3
本对比例提供一种ga2o3薄膜的制备方法，与实施例2的区别仅在于，步骤3)中将水替换为体积百分比为70％的乙醇；
步骤3)中sr3al2o6薄膜溶解非常缓慢；sr3al2o6薄膜未能完全溶解。
对比例4～9
本对比例提供一种ga2o3薄膜的制备方法，与实施例2的区别仅在于，步骤1)中，衬底温度以及氩气的气压不同；
1)衬底温度为750℃，通入氩气使其气压分别保持为par＝0.5pa；
2)衬底温度为750℃，通入氩气使其气压分别保持为par＝0.6pa；
3)衬底温度为800℃，通入氩气使其气压分别保持为par＝0.5pa；
4)衬底温度为750℃，通入氩气使其气压分别保持为par＝0.8pa；
5)衬底温度为800℃，通入氩气使其气压分别保持为par＝0.8pa；
将对比例4～9制得样品放入去离子水充分溶解后，进行对比；如图8所述，从做至右依次为：空白单晶si衬底、对比例4～9；如图可见，对比例4～9中的sr3al2o6薄膜仅有对比例4有部分溶解，其余对比例都未溶解。
将实施例2、对比例5～9制得样品放入去离子水溶解30s后，取出后进行对比；如图9所示，仅有实施例2有明显的溶解迹象。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。