[发明专利]一种铝掺杂α相氮化硅(α-Si3N4)基材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及氮化硅基材料，更具体涉及铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料及其制备方法。

背景技术

氮化物作为固态照明材料具备诸多优点：热稳定性、高效能、长寿命、安全无毒等。这类材料在过去的几十年中引起了固态微电子材料的巨大变革。但是，大多数实验研究都集中在III族半导体氮化物(如GaN、InN以及Al-Ga-In-N等)。它们共同的特点是带隙都在便于利用的可见光范围：从InN的1.9eV(红)到GaN的3.4eV(紫外)[Ponce，F.A.and D.P.Bour，NItride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices.Nature，1997.386(6623)：p.351-359.]。但是Ga和In都是稀缺资源，因而这类氮化物半导体的成本很高。相比而言，IV族元素硅占地球岩石圈质量的26.30％；同时，氮化硅作为较好的热稳定无毒材料，由于具备优越的机械性能而有广泛的结构上的应用[[Anon]，C-eramics Based on Silicon-Nitride.Nature，1972.238(5360)：p.128-&.]。但是，由于氮化硅的巨大禁带带宽(5.1eV)，它很少被用作固态光电材料。

半导体材料的电学性能与其带隙密切相关，而带隙又可以通过掺杂进行调整(提高或降低)。常见的经过掺杂可调带隙的半导体材料如：Si，Ge，GaAs，GaN，InN，ZnO，CdO。以往许多研究中，Al也常被用作掺杂来调整半导体带宽[Sernelius，B.E.，et al.，Band-gaptailoring of ZnO by means of heavy Al doping.Physical Review B，1988.37(17)：p.10244.]。

鉴于此，本发明采用化学气相沉积(CVD)制备技术，将铝掺杂进入氮化硅中，实现对其禁带宽度的降低并由此拓展以其为基质的半导体发光材料的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料及其制备方法。

本发明提供的铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料为α相氮化硅(α-Si₃N₄)，且材料中Al所占原子百分比为0.10％～0.80％。

本发明的铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料其光学带宽约为2.64eV。

本发明的铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料中还可掺杂稀土元素Eu，且材料中Eu所占原子百分比为0.002％～0.01％。

掺杂稀土元素Eu的铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料在以蓝光激光(λ_ex＝405nm)激发时呈现出以582nm为中心、半高宽为100nm的黄-橙色发射光谱。

本发明提供的铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料的制备方法，采用化学气相沉积(CVD)技术制备所述的铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料，制备过程包括以下步骤：

(1)将反应原料按比例均匀混合；

(2)在抽真空后持续通入氮气的反应炉中进行反应；

(3)反应结束后，在产物沉积区收集产物。

所述步骤(1)中，反应原料为一氧化硅(SiO)粉末和铝粉，且Si和Al的摩尔比为2.0∶1～5.0∶1。

所述步骤(1)中，反应原料还可包括氧化铕(Eu₂O₃)，且Si和Eu的摩尔比为50∶1～300∶1。

步骤(2)中持续通入的氮气流量可为600～1200ml/min，气压保持在约1atm。

步骤(2)中反应温度可为1450～1700℃，反应时间可为30～120min。

步骤(3)中，反应结束后，在反应温度为1300～1500℃的产物沉积区收集产物。

附图说明

图1为铝掺杂α相氮化硅(α-Si₃N₄)基材料的X-射线衍射图谱。