[发明专利]分子束外延生长GaN基发光晶体膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种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。 

背景技术

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景。 

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。 

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明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Ga³⁺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，本发明的技术解决方案是： 

总体上看：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，包括铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆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％，0.1x≤y≤x。 

具体来看：分子束外延生长GaN基发光晶体膜的方法，其特征在于包括步骤：I、按摩尔比Ga∶Re∶A＝(1-x-y)∶x∶y，0.1％≤x≤10.0％，0.1x≤y≤x称量原料Ga、Re和A，分别放置于装置中的各蒸发池内，其中A表示III族元素硼或铝；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℃-600℃；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0.5-1μm/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，前述的分子束外延生长GaN基发光晶体膜的方法，步骤III中Ga蒸发池温度控制在850℃-945℃，Re蒸发池温度控制在500℃-1100℃，III族元素硼或铝的蒸发池温度控制在800℃-1100℃；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。 

本发明分子束外延生长GaN基发光晶体膜的方法，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。 

具体实施方式