[发明专利]一种稀土掺杂GaN发光粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN半导体材料，特别涉及一种采用金属氨化法制备的稀土离子掺杂的GaN发光粉体材料及其制备方法。

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3.4 eV，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。稀土离子掺杂的氮化镓粉体由于容易与各种材料和器件集成，因此也受到了研究者的重视，如文献“Green emission from Er-doped GaN powder”（[J] Applied Physics Letters”, 2005, 86, 191918）报道了采用金属Ga、稀土金属Er作为原料，按一定比例混合后，在高温下和氨气反应，得到Er掺杂的GaN粉体。

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62 pm，而稀土离子半径处于103.4 pm (Ce³⁺)和84.8 pm (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，将在粉体中引入较多的点缺陷，从而降低GaN粉体的发光性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有金属氨化法制备掺稀土离子的GaN粉体材料存在的不足，提供一种稀土掺杂GaN发光粉及其制备方法，能有效改善由于掺入的稀土离子和Ga³⁺之间较大的离子半径失配而引起的晶格畸变，提高材料的发光性能。

本发明的技术解决方案是提供一种稀土掺杂GaN发光粉体，它的化学式为Ga_(1-x-y)Re_xA_yN，其中，Re为稀土金属离子Ce³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Pm³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺和Yb³⁺中的任意一种，A为金属离子B³⁺或Al³⁺，x为Re的含量 ，y为B³⁺或Al³⁺的含量，0.1%≦x≦10.0%，0.1x≦y≦x 。

本发明技术方案还包括一种如上述稀土掺杂GaN发光粉体的制备方法，包括如下步骤：

1、按Ga∶Re∶A= (1-x-y)：x ：y的摩尔比，称量各原料：其中，Re为稀土金属离子Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的任意一种稀土金属，A为金属离子B³⁺或Al³⁺， x为Re的含量 ，y为B³⁺或Al³⁺的含量，0.1%≦x≦10.0%，0.1x≦y≦x ；

2、将各原料混合后真空封装于石英管中；

3、将石英管在500～1000℃的温度下保温8～16小时后冷却至室温，得到固溶体；

4、取出石英管中的固溶体，研磨成粉体，放入刚玉舟中，在温度为1000～1150℃的氨气气氛中保温10～20小时后，冷却至室温，得到一种稀土金属离子和金属离子B³⁺或Al³⁺共掺杂的GaN发光粉体材料。