[发明专利]一种发绿光的氮化物半导体薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明提出一种发绿光的氮化物半导体薄膜材料及其制备方法，属于发光半导体薄膜材料技术领域，该薄膜材料的组分包括化学式为Msubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;的氮化物；其中，M代表金属元素，为Zr或Hf；氮化物为正交晶系、晶体空间群为Pnma；薄膜材料中N元素的摩尔比例为54%~65%。该薄膜材料的制备方法包括以下步骤：清洗基底；以金属元素作为靶材，在Ar和Nsubgt;2/subgt;混合气体环境中，通过高功率脉冲磁控溅射对靶材进行溅射，使金属元素与Nsubgt;2/subgt;反应生成氮化物并沉积在基底上，以在基底上获得发绿光的氮化物半导体薄膜材料。该氮化物半导体薄膜材料在绿光波段具有较强光发射现象，且其制备成本低。

技术领域

本发明属于发光半导体薄膜材料技术领域，尤其涉及一种发绿光的氮化物半导体薄膜材料及其制备方法。

背景技术

发光二极管（LED）是一种常用的发光器件，普通亮度LED主要用于室内照明，而高亮度LED在户外广告牌、信号灯、汽车车灯等方面有着广泛的应用。20世纪60年代，首个GaAsP基红光LED投入市场，标志着LED的商业化；此后，在20世纪70年代，得益于半导体材料的发展，橙色、黄色等不同颜色的LED不断出现，LED的性能也不断得到改善；20世纪90年代，高亮度InGaN基蓝光LED首次被成功制备，敲开了氮化物基LED的大门。时至今日，以GaN基LED、InGaN基LED为代表的氮化物基LED已经成为最具潜力的高效固态照明（SSL）材料之一。目前，InGaN基蓝色LED的外部量子效率（EQE）已经超过80%，是组成照明用白光LED光源的关键器件。

然而，与红光及蓝光LED的高发光效率形成鲜明对比的是，绿光LED的外部量子效率的提升面临很大挑战。InGaN基LED的EQE在绿光波段随着波长的增加显著下降，在波长大于520 nm时，InGaN基LED的EQE已下降至不足30%。巧合的是，磷化物基LED（如AlGaInP）的EQE在波长短于570 nm时也明显降低。因而，高性能绿光LED器件的市场仍是一片空白。同时，目前通常采用RGB混色方式调制出亮度高的白色，要求红、绿、蓝LED的光量比例达到3:6:1，由于绿光LED性能不足，必须使用多个绿光LED提高输出功率，限制了器件体积的缩小与成本的降低。因此，高性能绿光LED器件的研究对照明、LED显示器及人工检测金属件缺陷等领域的发展尤为重要。

发明内容

为了解决目前绿光LED的性能明显落后于蓝光或红光LED的问题，本发明提出一种发绿光的氮化物半导体薄膜材料及其制备方法，该材料在绿光波段具有较强光发射现象，且其制备成本低。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种发绿光的氮化物半导体薄膜材料，薄膜材料的组分包括化学式为M₃N₄的氮化物；其中，M代表金属元素，为Zr或Hf；氮化物为正交晶系、晶体空间群为Pnma；薄膜材料中N元素的摩尔比例为54%~65%。

在其中一些实施例中，薄膜材料中N元素的摩尔比例为57%。

在其中一些实施例中，薄膜材料的厚度为100nm~600nm。

本发明还提供了上述任一项技术方案所述的发绿光的氮化物半导体薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

清洗基底；

以金属元素作为靶材，在Ar和N₂混合气体环境中，通过高功率脉冲磁控溅射对靶材进行溅射，使金属元素与N₂反应生成氮化物并沉积在基底上，以在基底上获得发绿光的氮化物半导体薄膜材料。

在其中一些实施例中，进行高功率脉冲磁控溅射时，平均功率为150W~500W，占空比为1%~5%，频率为500Hz~1500Hz，Ar与N₂的流量比为40:(3～9)，溅射气压为0.5Pa ~1.5Pa。