基于半导体的独立膜(FSM)近年来成为先进材料研究的一个非常有前途的领域。其独特的特性，如轻质和灵活性，使其具有广泛的颠覆性设备应用的吸引力。然而，生产高质量的单晶FSM，特别是从锗(Ge)等元素材料中，仍然是一个重大挑战。在这项工作中，多孔锗(PGe)衬底上形成易于拆卸的晶圆级锗FSM。所提出的方法依赖于低温锗外延，允许在FSM形成过程中保持多孔结构的完整性，并且易于制备多次重复使用的衬底。分析表面形貌作为沉积锗厚度的函数表明，FSM的形成发生在两个不同的制度。在初始外延过程中，Ge的生长受PGe顶部表面的三维形核控制。纳米级岛屿的尺寸增加，随后的聚并可以将表面粗糙度提高到临界厚度，从而使岛屿完全聚并形成二维脱毛层。对不同厚度的膜的表面形貌分析表明，膜的表面粗糙度不断提高，达到亚纳米级。此外，我们证明了无论PGe的孔隙度和厚度如何，FSM的形成过程都是适用的，同时为从同一基底生成多个FSM提供了方便和可持续的基底修复。我们的发现为生产基于Ge FSM的轻质、柔性、高性能光电子产品提供了新的机会，同时确保降低成本和关键材料消耗。

在低温下，在未重构的多孔锗衬底上生长单晶独立锗膜。这使得大型Ge膜的分离和转移变得容易，并且可以简单地清洗母基质以进行多次重复使用。这些结果为制造低成本的基于锗的轻量化和柔性光电子器件铺平了道路。

1. 介绍

近年来，由功能材料制成的高质量独立式膜(FSM)已成为纳米科学技术快速发展的前沿。特别是IV族、III-V族和III-N族半导体膜在可拉伸的皮肤上电子器件、垂直堆叠led和柔性光电探测器等应用方面具有很高的潜力。事实上，FSM为实现提供了额外的自由度，这是传统技术无法实现的，例如晶体结构中具有高晶格不匹配的不同材料的异质积分。除了重量轻、灵活外，FSM还允许各种材料堆叠在一起，使不同材料之间的物理性质容易耦合。此外，与体积庞大的晶圆相比，FSM的使用为器件生产提供了显著的成本节约，特别是对于价格比硅高几个数量级的材料。在此背景下，锗(Ge) FSM尤其因其在高性能光电子和高速通信器件中的应用而备受关注，如波导，太赫兹传输，光电探测器和激光器以及其生物相容性。然而，制造高质量的Ge FSM仍然是一项具有挑战性的任务。

例如，远程外延在III-N和III-V半导体化合物FSM以及其他材料如复合氧化物，钙钛矿，金属等方面显示出巨大的潜力。然而，这项技术是基于脱毛层和下层衬底之间通过石墨烯界面的离子相互作用，禁止其应用于非极性材料，如锗。到目前为止，已经报道了多种允许生产单晶锗FSM和晶圆再利用的提升技术，即外延提升(ELO)、机械剥落、智能切割方法、在纳米化石墨烯上生长、无氮锗(GON)或多孔提升。尽管取得了重大进展，Ge FSM的广泛采用仍然受到各种障碍的阻碍，包括工艺复杂性、高成本和基板损坏和/或污染问题。多孔锗(PGe)衬底上的外延生长特别显示出生产轻质太阳能电池的高潜力。通过纳米到微尺度柱形成的机械弱界面实现器件分离。在FSM分离后，基材表面包含各种尺寸的破碎柱，其多次重复使用的修复需要传统的化学机械抛光(CMP)处理或湿化学蚀刻几微米。尽管与使用传统晶圆相比，这些技术有了显著的改进，但在修复过程中，这些技术仍有进一步降低成本和锗消耗的空间。

事实上，PGe衬底提供了广泛的形态和物理性质，可以直接用于在未重构的多孔结构上外延生长的Ge FSM制造。与传统衬底上的同外延生长相比，在传统衬底上可以很容易地达到最佳的二维逐层生长，纳米结构衬底存在一些挑战。事实上，纳米孔介导的外延材料扩散和多孔重建诱导的三维微结构都是遇到的困难。为了保证FSM在PGe衬底上的外延生长，需要克服这些障碍。到目前为止，在PGe衬底上成功的外延主要基于在之前或在材料沉积生长期间的高温退火步骤，触发多孔层的热重构。例如，具有海绵样形态的PGe表现出强烈的温度依赖性，诱导形成大柱结构，同时失去其固有的PGe特性并使修复过程复杂化。

结果与讨论

采用双极电化学蚀刻(BEE)技术在p型Ge衬底上，在hf基电解质中制备了用于外延生长的PGe衬底。我们在之前的工作中报道过，该工艺可以对PGe的厚度和孔隙度进行微调，在确保低表面粗糙度和面向衬底的晶体性质的同时，提供按需性能，使其成为外延生长的可行选择。生成的PGe厚度和孔隙率在晶圆片上的总体变化小于2%。图1a描绘了典型的100 mm Ge基板的光学图像，上面有均匀的多孔层，由BEE生产。为了阐明PGe纳米结构上Ge外晶的初始阶段，我们首先考虑在100 mm Ge晶圆上230 nm厚的均匀PGe层(图1c)，从临界角计算，通过x射线反射率(XRR)测量(图1b)，中间孔隙率约为54%，表面RMS(均方根)粗糙度低于2 nm(图S1)。所有的样品都是在配备固体源锗的化学束外延反应器(CBE)中在300°C下生长的。在整个研究过程中，生长速度一直保持在0.5 μm/h。此外，由于我们的目标是在PGe结构上进行Ge的外延生长，因此生长温度需要足够低，以避免PGe重组。