(Mn,Fe)掺杂的GaN材料Mn,Fe价态调控及3d电子跃迁机制研究

利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）制备Mn和/或Fe掺杂GaN薄膜材料，并利用Si和Mg共掺杂调节费米能级，使Mn或Fe杂质充放电,达到Mn,Fe离子价态调控。探测不同杂质价态下，材料的光学性质（吸收、发射、光致激发、时间分辨荧光等），推测相对应的杂质3d内电子跃迁机制。另外，在Mn,Fe掺杂的GaN材料中，引入氮空位，使晶格畸变，调节杂质离子所在晶场环境，通过探测光学性质研究晶场与Mn，Fe 3d内壳电子互作用；晶场变化对3d电子的能态劈裂大小、跃迁定则消除、跃迁几率和跃迁时间等调节作用；并阐明光学性质对应的跃迁机制，探索提高材料光学性质的方法。 最后，为开发应用Mn,Fe掺杂GaN材料的光学性质，制备原型器件，在蓝光GaN基LED顶层外延Mn,Fe掺杂GaN，通过吸收量子阱出射蓝光，把蓝光转化成红光获得红蓝光混合光。

利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）制备在不同的温度下生长Mn掺杂GaN薄膜材料。发现，过高和过低的生长温度都不利于薄膜质量的提高，其中，过低的生长温度下，材料表面呈现纳米结构，随着生长温度提高，薄膜表面呈现台阶流生长模式，材料质量提高。但过高的生长温度，使得Mn掺杂的浓度降低，部分Mn析出在薄膜的表面，形成纳米团簇。综合考虑，我们发现在900到980度温度下生长材料比较合适。在900到980度温度范围内，当温度降低，氨气分解不充分，使得掺杂GaN材料中形成氮空位，Ga过量，形成电子掺杂，Mn呈现出2价态；同时，升高生长温度到980度，氨气分解充足，掺杂的GaN薄膜材料中，N充分，其中的Mn杂质转变为Mn3+的价态结构。而在900到980之间生长材料，主要呈现出Mn3+和Mn2+价的混合价态。因而，可以通过调节材料的生长温度，使Mn杂质充放电,达到Mn离子价态调控。通过对材料进行XPS，XRS和不同温度下得吸收和光致荧光测试，发现在不同的价态下，材料的光学性质不同。在紫外波段，所有样品均发现光谱精细结构。然而，在484nm周围天蓝色宽光谱带只对于900度温度生长的样品较为明显，这是因为此宽光谱带主要由过量的Ga原子引起。此外，在红外波段，探测了材料的光致荧光谱，发现了850-950nm间的红外发射；并且，在此发射频，发现Mn原子相关的1.414eV的零声子线及其伴线。这些红外谱和精细结构，只能在980度和930度等较高温度下生长的薄膜中探测到。此零声子线及其伴线是可归结为中性Mn3+原子中的3d电子5T2到5E态间的跃迁。由此，可以推测出引入氮空位，调节杂质离子所在晶场环境，改变材料的光学性质，并阐明光学性质对应的跃迁机制，探索改变材料光学性质的方法。 最后，还生长了Fe掺杂的GaN，并研究了光学性质。.通过此项目的展开，探讨了过渡族金属掺杂GaN材料光学，价态性质，揭示了3d电子跃迁机制，初步达到项目计划书要求的内容。