掺稀土GaN厚膜晶体衬底的HVPE生长、性能和发光机理研究

白光LED器件长期受限于以蓝宝石为衬底的平面LED结构专利和日亚发明的蓝光LED芯片添加荧光粉发白光专利，同时存在显色指数低、荧光粉老化和不透明造成的光反射和散射损失等问题。GaN单晶是外延制备LED器件的理想衬底；另一方面，GaN作为一种宽禁带半导体，稀土离子在其中具有较高的固溶度、发光效率和猝灭温度,但发光机理尚不明确。我们已能用氢化物气相外延(HVPE)稳定生长自支撑300μm厚的高质量GaN厚膜晶体，本项目提出在此基础上，掺入特定稀土离子组合，以同时具备衬底和发光体双功能，将其应用于外延制备LED，以代替原有白光LED中的荧光粉，实现突破国际专利封锁和提高白光LED光效之目的。重点研究HVPE生长条件和晶体质量、发光性能之间的关系；晶体中稀土离子的局域微结构及其对发光性能的影响。本项目的实施有望在生长具有自主知识产权的高发光效率GaN衬底和稀土掺杂GaN发光机理的研究方面取得突破。

本项目在国家自然科学基金的支持下，主要进行了如下三个方面的工作：.一、系统研究了溶液化学方法和金属氨化法制备氮化镓粉体的过程，结合相关结构和光谱表征测试结果对粉体的物性和制备动力学过程进行了分析表征。结果表明：采用溶液化学方法制备的氮化镓粉体材料虽然结晶性和发光性能较差，但是颗粒尺寸均匀且小于50 nm，有望作为制备纳米晶GaN陶瓷的原料；采用金属氨化法制备的GaN粉体，具有较高的结晶性和发光特性，且具有较低的氧含量，该氧含量接近于氢化物气相外延方法制备的GaN块体材料，该粉体有望作为氨热法生长GaN晶体的原料。相关工作发表在Journal of Crystal Growth, 2013(367): 48-52。.二、稀土掺杂氮化镓粉体的相关研究。.（1）利用金属氨化法制备了Eu掺杂GaN粉体，Eu离子的发光光谱和文献报道的用MOCVD和MBE制备的GaN薄膜材料一致，表明Eu离子掺入了氮化镓基质晶格。（2）以氧化镓和氧化铕为原料在不同温度的氨气气氛下退火合成了铕掺杂的粉末氮化镓（GaN）。通过X射线衍射（XRD）、Raman光谱、变温阴极射线荧光谱（CL）对该材料进行了结构和光谱性质表征。根据GaN的能带结构和缺陷能级位置，提出了一个施主－受主对模型对发光性质进行了解释。相关工作已经申请了两项国家发明专利，申请号为：201210079416.8和201310088509.1。在Science China Physics,Mechanics and Astronomy,2014,57(3)发表，doi:10.1007/s11433-013-5385-x.三、稀土掺杂氮化镓薄膜材料的研究。. 采用离子注入的方法在氢化物气相外延(HVPE)生长的GaN单晶膜中注入了Er离子，注入能量为200 KeV，注入剂量分别为1E13，1E14，1E15，5E15 个/平方厘米。主要进行了如下两方面的研究：一、注入剂量、退火温度对GaN带边发光峰的影响。运用晶格替位原子理论对相关物理现象进行了解释。二、1E15注入的GaN样品在1100℃退火后，进行了从82k至323K的变温阴极荧光光谱的表征,对发光现象进行了理论解释。工作待发表。