Er离子注入GaN薄膜及相关材料的光学性质研究开题报告

1. 研究目的与意义

在半导体研究过程中，经历了以 si 和 gaas 为代表的两个发展阶段，通常把 si、ge 称为第一代半导体材料，把 gaas、inp、gap、inas、alas 及其合金称为第二代半导体材料，而把近几年迅速发展起来的宽带隙( e g 2. 3ev) 半导体材料称为第三代半导体材料， 主要包括 sic、znse、zno、金刚石和 gan 等。以 gan为代表的 -v 族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽( e g =3. 39ev) 、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。早在 20 世纪70年代，人们就对gan 的生长和表征进行了许多研究，但由于当时存在着难以克服的困难, 例如gan 存在较高的背景电子浓度, 难以获得 p 型材料，缺乏合适的与 gan在晶格常数和热膨胀方面相匹配的衬底，曾被认为是一种没有前途的材料，发展十分缓慢。进入90年代以后，由于一些关键技术获得突破以及材料生长和器件工艺水平的不断提高，使gan薄膜研究空前活跃，gan 基器件发展十分迅速，gan 已成为宽带隙半导体材料中一颗璀璨的明珠。

稀土掺杂gan半导体材料有稳定的物理和化学性质，有较高的光激活率，同时稀土元素在gan中有较高的固溶度。掺稀土的gan还有一个重要特点是它的温度猝灭效应较弱，原因是: gan室温下禁带宽度为3.4ev，远大于si的禁带宽度1.12ev，可以降低温度猝灭效应，这对于制备室温光电子器件非常重要。因此，掺稀土gan发光材料引起人们很大的兴趣和广泛的研究。er³ 在1540 nm处的发光是er³ 的4f壳层内跃迁的结果，由于受到5s² 5p ²外壳层电子的屏蔽，发光峰的能量位置基本不受基体材料的影响，也不依赖于激发的强度和所处的环境温度。上个世纪80年代，人们为了实现si基材料的光电子集成， 重点研究掺er的si基发光材料。在gan中掺入er可以发绿光，掺入pr，eu可以发红光，掺入tm可以发蓝光，因此稀土掺杂gan可以发出所有可见波段的光，在一个芯片上只要采用离子注入法进行选区掺杂，就可以获得不同颜色的光，从而实现全色显示；另外gan掺入er还可以发出红外光，在光纤通信领域具有广阔的应用前景。这些优势使得gan:er的研究受到了国内外学者的重视。

所以本课题主要研究制备gan薄膜和gan:er薄膜及其研究掺杂浓度对发光性能、结构等特性的影响。

2. 研究内容和预期目标

gan是一种宽禁带半导体，稀土元素掺入后，gan材料表现出很弱的温度猝灭效应，因此可制作温度变化范围大的器件。er离子注入到gan可以发射出537nm绿光和1.54m的红外光，在平板显示和光通信领域有重要的应用前景。因此，受到了研究人员和产业界的重视。将er离子和pr离子共注入gan中可以同时实现红光和绿光发射。本毕业论文主要研究er离子注入gan薄膜和er，pr共掺杂gan薄膜的光谱性质。研究掺杂浓度对发光性能、结构等特性的影响。此论文的研究为稀土离子掺杂gan材料在显示领域的应用提供了理论依据。

主要研究内容：

（1） 采用离子注入技术制备1×10¹⁴，1×10¹⁵at/cm²注入剂量的er:gan薄膜，er,pr共掺gan薄膜。

3. 研究的方法与步骤

1制备gan薄膜

利用金属有机化学汽相沉积(mocvd)的方法，将蓝宝石为衬底放入外延腔体中，向外延腔体中通入镓源和氮源，在所述半导体衬底的表面外延gan薄膜，并监控外延过程中薄膜的反射率；当所述gan薄膜的反射率上升到第一预定值时，停止向所述外延腔体中通入镓源，向所述外延腔体中通入硅烷和氮源，所述硅烷刻蚀所述gan薄膜；当所述gan薄膜的反射率下降到第二预定值时，停止向所述外延腔体中通入所述硅烷，向所述外延腔体中通入镓源和氮源，继续在所述半导体衬底上外延gan薄膜。

2 er离子注入gan薄膜

4. 参考文献

[1] 马洪磊, 杨莺歌, 刘晓梅，等. gan 薄膜的研究进展[j]. 功能材料，2004，35(5):537-544.

[2] 高 昆, 卢意飞, 施立群, 等. 等离子体辅助脉冲激光沉积和原位掺杂方法制备稀土掺杂gan 薄膜[j]. 真空科学与技术学报, 2009, 29(2): 155-159.

[3] 张纪才，戴伦，秦国刚，等. 离子注入gan 的拉曼散射研究[j]. 物理学报，2002，51(3): 629-634.

5. 计划与进度安排

1．2022.12. 26～2022.2.24 学生与指导老师见面，根据指导老师的建议查阅文献资料；

2．2022.2.25～2022.3.10 开学后，向指导老师汇报情况，并根据任务书写出开题报告；

3．2022.3.11～2022.5.5学生根据调研资料和指导老师要求进行实验，并进行数据分析，及时与教师交流实验进展，及时解决出现的问题；