本发明专利技术揭示了一种分子束外延生长GaN基发光晶体膜的方法，在生长过程中掺杂稀土离子，取代部分Ga3+的晶格格位，其特征在于：在所述GaN晶体膜的原料配方中按比例掺入III族元素硼或铝，在生长过程中所述III族元素硼或铝以三价离子的形式进入GaN晶格，调配稀土离子和Ga3+之间的离子半径差；所述原料配方摩尔比例为：Ga∶Re∶A＝(1-x-y)∶x∶y，其中Re表示稀土金属，A表示III族元素硼或铝，0.1％≤x≤10.0％，0.1x≤y≤x。本发明专利技术由于采用了III族元素硼或铝和稀土金属按一定配比进行共掺，从而能在很大程度上改善因为Re3+和Ga3+之间较大的半径失配而造成的GaN晶体膜晶格畸变，从而提高GaN晶体膜的发光性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种GaN膜材料的生长方法，尤其涉及一种MBE生长掺稀土离子的GaN 晶体膜的方法。
技术介绍
第三代半导体材料GaN及其相关器件由于在光显示、光存储、激光打印、光照明以 及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景，因此以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为 IT产业新的发动机。 GaN是一种宽禁带半导体，其禁带宽度达3. 4eV，因此在GaN中可以掺入各种稀土 离子，而不会发生发光猝灭。稀土离子的发光波段可以覆盖从紫外到红外的区域，而且稀土 离子的发光跃迁主要产生于部分填满的4f能级之间跃迁，受晶体场环境影响较少，发光峰 尖锐，其色纯度较高。目前采用MBE来制备掺稀土离子的GaN膜受到了研究者的普遍重视 ("Rare_Earth_Doped GaN :Growth，Properties,and Fabrication of Electroluminescent Devices",发表在IEEEJournal of Selected Topics In Quantum Electronics, 2002，8 (4) :749)，该GaN膜在电致发光器件、平板显示、激光二极管等领域展现出巨大的应用前旦 豕。 稀土离子在掺入GaN基质后， 一般取代的是Ga3+的晶格格位，而稀土离子的半 径普遍比Ga3+的半径要大，Ga3+的半径为62pm，而稀土离子半径处于103. 4pm(Ce3+)和 84.8pm(Lu3+)之间。所以从离子半径匹配的角度来看，稀土离子掺入后会引起较大的晶格 畸变，毫无疑问，这种晶格畸变的产生，会在晶体膜中引入较多的点缺陷，从而降低GaN晶 体膜的发光性能。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的旨在提供一种分子束外延生长GaN基发 光晶体膜的方法，解决在先技术中因为掺入的稀土离子和Ga"之间较大的离子半径失配而 导致的晶格畸变问题，从而提高掺稀土离子的GaN基晶体膜的发光性能。 为实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是 总体上看，在生长过程中掺杂稀土离 子，取代部分G^+的晶格格位，其特征在于在所述GaN晶体膜的原料配方中按比例掺入 III族元素硼或铝，在生长过程中所述III族元素硼或铝以三价离子的形式进入GaN晶 格，调配稀土离子和G^+之间的离子半径差；所述原料配方摩尔比例为Ga : Re : A = (1-x-y) : x : y，其中Re表示稀土金属，包括铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、礼Gd、 铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu中任意一种或多种混用；A表示III族元素硼 或铝；0. 1%《x《10. 0%，0. lx《y《x。 具体来看，其特征在于包括步骤I、按 摩尔比Ga : Re : A = (1-x-y) : x : y，O. 1%《x《10. 0%，0. lx《y《x称量原料Ga、Re和III族元素硼或铝，分别放置于装置中的各蒸发池内；II、将GaN基衬底置于分子束外 延腔室中，抽真空并对GaN基衬底进行热处理，保持温度在550°C -600°C ;III、调控各蒸发 池温度，使各原料元素按比例蒸发，控制生长速率在0. 5-lym/h;并通过射频等离子体产 生原子氮；IV、自然冷却衬底和各蒸发池，再将分子束外延腔室放空，即得稀土离子和B3+或 Al3+共掺的GaN晶体膜。 进一步地，前述的，步骤III中Ga蒸发 池温度控制在850°C -945°C， Re蒸发池温度控制在500°C -IIO(TC， III族元素硼或铝的蒸 发池温度控制在800°C -IIO(TC;步骤II中所述GaN基衬底包括生长有GaN膜的硅、生长有 GaN膜的蓝宝石或GaN块体中任意一种。 本专利技术，其显著优点是 由于采用了 III族元素硼或铝和稀土金属按一定配比进行共掺，从而能在很大程度上改善因为R^+和G^+之间较大的半径失配而造成的GaN晶体膜晶格畸变，从而提高GaN晶体膜的发光性能。具体实施例方式B3+和Al3+的半径分别为20pm和50pm，所以如果在GaN晶体膜中按照适当的配比 共掺III族元素的B"或A1"和稀土离子，将能在一定程度上改善晶体膜晶格畸变；而且因 为B3+或Al3+是一种中性组分，所以掺入少量的B3+或Al3+不会对GaN晶体膜的发光性能有 副作用。实施例1 : 在本例中，x = 0. l%，y = 0. 01%，Re为稀土金属铒Er，A为硼(B)。将上述称量 好的原料各自装入分子束外延(以下简称MBE)装置中的不同蒸发池内，衬底选择生长有 GaN膜的蓝宝石，Ga蒸发池温度控制在900°C， Er蒸发池控制在850°C ，晶体B的蒸发池温 度控制在90(TC。并通过射频等离子体产生原子氮。得到5ym厚度的薄膜后，自然冷却衬 底和各蒸发池，MBE放空后即可取出Er3+和B3+共掺的GaN晶体膜。较之不共掺B3+的同浓 度掺Er3+的GaN晶体膜，荧光强度增强5% -20% 。 实施例2: 在本例中，x = 10%， y = 1%， Re为稀土金属铒Er， A为金属铝(Al)。将上述称 量好的原料各自装入MBE装置中的不同蒸发池内，衬底选择生长有GaN膜的硅，Ga蒸发池温 度控制在900°C ， Er蒸发池控制在IOO(TC ，金属Al的蒸发池温度控制在980°C 。并通过射 频等离子体产生原子氮。得到5ym厚度的薄膜后，自然冷却衬底和各蒸发池，MBE放空后 即可取出Er3+和Al3+共掺的GaN晶体膜。较之不共掺Al3+的同浓度掺Er3+的GaN晶体膜， 荧光强度增强5% -20%。 实施例3: 在本例中，x = 5%，y = 0. 5X，Re为稀土金属铒Er，A为金属铝(Al)。将上述称 量好的原料各自装入MBE装置中的不同蒸发池内，衬底选择HVPE生长的GaN块体，Ga蒸发 池温度控制在90(TC，Er蒸发池控制在95(TC，金属Al的蒸发池温度控制在930°C 。并通过 射频等离子体产生原子氮。得到5ym厚度的薄膜后，自然冷却衬底和各蒸发池，MBE放空后 即可取出Er3+和Al3+共掺的GaN晶体膜。较之不共掺Al3+的同浓度掺Er3+的GaN晶体膜，荧光强度增强5% -20%。 实施例4: 在本例中，x = 5%，y = 0. 5X，Re为稀土金属铥Tm，A为金属铝(Al)。将上述称 量好的原料各自装入MBE装置中的不同蒸发池内，衬底选择HVPE生长的GaN块体，Ga蒸发 池温度控制在900°C ， Tm蒸发池控制在600°C ，金属Al的蒸发池温度控制在930°C 。并通过 射频等离子体产生原子氮。得到5ym厚度的薄膜后，自然冷却衬底和各蒸发池，MBE放空后 即可取出Tm3+和Al3+共掺的GaN晶体膜。较之不共掺Al3+的同浓度掺Tm3+的GaN晶体膜， 荧光强度增强5% -20%。 实施例5: 在本例中，x = 5%，y = 0. 5X，Re为稀土金属镨Pr，A为金属铝(Al)。将上述称 量好的原料各自装人MBE装置中的不同蒸发池内，衬底选择HVPE生长的GaN块体，Ga蒸发 池温度控制在900°C ， Pr蒸发池控制在1200°C ，金属Al的蒸发池温度控制在900°C 。并通本文档来自技高网...
【技术保护点】
分子束外延生长ＧａＮ基发光晶体膜的方法，在生长过程中掺杂稀土离子，取代部分Ｇａ↑［３＋］的晶格格位，其特征在于：在所述ＧａＮ晶体膜的原料配方中按比例掺入Ⅲ族元素硼或铝，在生长过程中所述Ⅲ族元素硼或铝以三价离子的形式进入ＧａＮ晶格，调配稀土离子和Ｇａ↑［３＋］之间的离子半径差；所述原料配方摩尔比例为：Ｇａ∶Ｒｅ∶Ａ＝（１－ｘ－ｙ）∶ｘ∶ｙ，其中Ｒｅ表示稀土金属，Ａ表示Ⅲ族元素硼或铝，０．１％≤ｘ≤１０．０％，０．１ｘ≤ｙ≤ｘ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾雄辉，徐科，王建峰，任国强，黄凯，包峰，张锦平，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32
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