Yb离子和Ce离子共掺以增强GaN:Er微纳米晶发光性能的研究

Er-doped GaN can emit green light(537nm) and infrared light(1.54 μm) and is a potential material applied in display, optical communications.However, the absorption cross section of Er ion is too small, which inhibits the research and development of Er-doped GaN related devices. Yb ions have large absorption cross section and can transfer the energy to Er ions efficently. Ce ions have been proved to enhance the 1.54 μm luminescence and tune the intensiy ratio of 537 nm luminescence and 1.54μm luminescence. Recently, we have codoped Er ions, Yb ions and Ce ions in GaN nanocrystal sucessfuly. Compared with Er-doped GaN crystal, the luminescent intensity of 537 nm and 1.54 μm was enhanced 10 and 5 times, respectively. This work has been patented recently.The doping concentration, preparation process and luminescence mechanism need further investigation. Based on this work, we will improve the preparatin process, control the doping concentration,and invesitgate the effects of concentration and ratio of Yb, Er,and Ce ions on crystallinity and luminescence of GaN nanocrystals. Furthermore we will research the energy transfer mechanism between rare earth ions and native defects. Our aim is to obtain Er-doped GaN nanocrystals with excellent luminescence performance.

GaN:Er材料可以发射出537nm的绿光和1.54μm波段的红外光，在平板显示、光通讯等领域有重要的应用前景。但Er离子的光吸收截面小导致发光强度弱，在一定程度上制约了GaN:Er材料和器件的发展。Yb离子在980nm波段具有较大的吸收截面，能和Er离子形成有效的能量传递。Ce离子则被证明在低声子能量材料中可以增强Er离子在1.54μm的发光。前期我们成功设计制备了Yb,Er,Ce三元掺杂的GaN纳米晶，相对于Er单元掺杂的GaN纳米晶，537 nm和1.54μm的发光强度分别提高了约10倍和5倍，部分工作已于近期获得发明专利授权，但制备条件、掺杂浓度、配比和发光机制等还需进一步研究。我们拟在此基础上，进一步优化制备条件，研究上述稀土离子之间浓度、配比等对材料结晶质量、发光性能的影响机制；研究稀土离子和GaN本征缺陷之间的能量传递机制,最终获得具有高发光性能的GaN微纳米晶。

GaN是一种直接带隙半导体，禁带宽度达3.4 eV，相对于其他窄带隙半导体如Si、GaAs等，稀土元素掺入后具有更高的发光效率和猝灭温度因此，近年来稀土掺杂GaN材料体系受到了研究者的重视。.一、采用溶液化学方法制备了Er3+掺杂浓度为1at.% 的Er: GaN微纳米晶材料。对退火前后材料的结构、形貌和发光性能进行了表征。结果表明：Er:GaN微纳米晶样品为纯的六方GaN相。退火后出现晶粒长大现象，且氧含量降低，微纳米晶的结晶质量变好。退火处理后出现了Er3+相关的524nm和547nm的绿光峰，660nm的红光峰。在980 nm激发下，在Yb, Er: GaN微纳米晶样品中实现了上转换荧光发射，并观察到了和Er: GaN微纳米晶相同的发光峰。共掺入Ce以后，Er离子在红外波段的发光得到进一步增强。.二、研究了GaN以及GaN: Er薄膜材料低温下的光学性质，研究发现：DAP与D0X两种模式之间存在竞争机制，81K时，离子注入以及加速电压的变化均会影响两模式间的相对强弱。深入分析了温度变化对GaN: Er发光性能的影响：当温度升高，GaN: Er施主束缚激子峰（D0X）会转变为自由激子峰(FX)，通过计算得出自由激子的束缚能为32meV；温度升高至182K时，2H11/2能级被热活化；2H11/2与4S3/2两激发态能级之间存在热耦合。 .三、采用离子注入的方法首次将Pr、Tm共掺入GaN薄膜材料，利用高能电子束作为表征手段，研究了离子注入后GaN薄膜材料的阴极荧光现象。室温下的阴极荧光测试结果表明：Tm离子蓝光与红外光强度的比值会随着Pr离子注入剂量的增加而下降。当测试温度在80-370K范围内变化时，Pr、Tm各荧光峰的荧光猝灭现象有所差异。80K下，Pr离子会新增528nm的峰，Tm离子会新增467nm的光。首次观察到GaN: Pr材料绿光波段的发光。