[发明专利]金属有机化学气相沉积生长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MOCVD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IEEE Journal 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金属有机化学气相 沉积生长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：金属有机化学气相沉积生长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三甲基硼或三甲基铝，在生长过程中所述硼或 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(CH₃)₃∶稀土有机配合物∶A(CH₃)₃＝(1-x- y)∶x∶y，其中稀土有机配合物是指以稀土元素Re为核心的Re(TMHD)₃或Re(i- PrCp)₃，Re指代的是铈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：金属有机化学气相沉积生长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(CH₃)₃∶稀土有机配合物∶A(CH₃)₃＝(1-x- y)∶x∶y，0.1％≤x≤10.0％，0.1x≤y≤x称量原料Ga(CH₃)₃、稀土有机配合物和三甲 基硼或三甲基铝，分别放置于装置中的各起泡器内；II、将GaN基衬底置于金 属有机化学气相沉积的反应器中，以H₂为载体、以NH₃为氮源，并对GaN基 衬底进行热处理，保持温度在1020℃-1060℃；III、调控各起泡器温度，控制 生长速率在1-3μm/h；IV、自然冷却衬底至室温，即得稀土离子和B³⁺或Al³⁺共掺的GaN晶体膜。

进一步地，前述的电子束蒸发生长GaN基发光晶体膜的方法，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。