GaN:Er及相关材料光学性质和结构研究

发布时间：2017-09-16 14:25

  本文关键词：GaN:Er及相关材料光学性质和结构研究

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【摘要】：稀土离子掺杂的GaN材料在光学、电学、磁学方面均有优异的特性,成为目前的研究热点。在所有的稀土离子中,稀土Er离子除了可以在红外波段发出1540nm的光,该波长对应于光纤通讯中光损失的最小波段,在绿光波段也存在发光,商业应用价值较高,因而稀土Er掺杂的GaN研究最受关注。本文采用离子注入方法制备了一系列Er、Pr、Tm稀土离子注入的GaN薄膜,并研究了稀土离子注入后Ga N薄膜的光学性质以及结构性质。主要内容如下:一、采用离子注入的方法,制备了一系列不同Er离子剂量的GaN薄膜材料,并在不同气氛、温度下进行了退火处理。研究了退火温度和退火气氛对GaN:Er薄膜发光性能的影响,并获得了最为优化的离子注入及退火条件。深入研究了GaN:Er阴极荧光中的发光猝灭现象:当Er离子的注入剂量达到1×10~(15)at/cm~2时,Er离子发光强度最高;当Er离子注入剂量增加到5×10~(15)at/cm~2时,将出现发光猝灭现象。二、研究了GaN以及GaN:Er薄膜材料不同温度以及不同加速电压下的光学性质。研究发现:在带边峰附近,DAP与D~0X两种模式之间存在竞争机制,当加速电压增加,DAP发光峰发生蓝移。深入分析了温度变化对GaN:Er薄膜发光性能的影响,通过计算得出GaN:Er薄膜中自由激子的束缚能为32meV;当温度低于182K时,~2H11/2能级尚未被热活化,不出现538nm的发光峰,但是能观察到明显的黄带发光;当温度继续升高,黄带逐渐消失,并发现~2H_(11/2)与~4S_(3/2)两激发态能级之间存在热耦合。373K下仍然能观察到Er离子538nm的发光,说明GaN:Er材料有希望应用在高温环境中。三、在GaN外延膜中分别注入Er、Pr、Tm三种稀土离子,并研究了GaN外延膜在不同注入情况下的阴极荧光现象。研究表明:在GaN中,单注入Er离子可以发绿光,单注入Pr离子可以观察到红光和绿光,单注入Tm离子可以发蓝光和红外光;若在GaN中注入不同的稀土离子,也可以部分抑制缺陷发光。四、采用离子注入的方法,在同一GaN外延膜中共注入Pr/Tm,Er/Pr,Er/Tm两种稀土离子以及Tm/Er/Pr三种稀土离子,并研究了不同温度下材料的阴极荧光现象。在GaN中共注入两种稀土离子时,不仅可以实现混合色彩的发光,而且发现两种稀土离子之间会存在能量传递。当Er/Pr/Tm三种稀土离子共注入GaN薄膜后,可以实现红、绿、蓝三色发光。五、对Er、Pr、Tm稀土离子注入后的GaN薄膜进行XRD、Raman表征,研究其结构性质。不同稀土离子Er、Pr、Tm注入GaN外延膜后,对GaN晶体结构的影响基本一致,随着注入剂量的增加对GaN晶体结构的损伤逐渐增强。为了降低离子注入引入的缺陷密度,进行不同情况退火处理,研究退火前后其中应力、应变、晶体质量的变化,所得的结果与光学性质结果相对应。
【关键词】：氮化镓 稀土 离子注入 光学性质 结构性质
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 GaN的结构与性质13-14
• 1.3 稀土掺杂GaN14-18
• 1.3.1 稀土元素14-15
• 1.3.2 掺杂方式15-16
• 1.3.3 GaN: Er材料16-18
• 1.4 稀土掺杂GaN材料应用18-20
• 1.4.1 全色显示19
• 1.4.2 放大器、激光器19-20
• 1.5 本论文主要内容20-21
• 第二章 GaN: Er薄膜常温下的光学性质及结构性质研究21-34
• 2.1 引言21
• 2.2 实验方法21-23
• 2.2.1 样品制备21-22
• 2.2.2 材料表征22-23
• 2.3 光学性质分析23-29
• 2.3.1 退火温度对发光性能的影响23-26
• 2.3.2 退火气氛对发光性能影响26-27
• 2.3.3 Er离子注入剂量对发光性能的影响27-29
• 2.4 结构性质分析29-33
• 2.4.1 注入剂量的影响29-30
• 2.4.2 退火温度的影响30-32
• 2.4.3 注入剂量与退火条件之间的关系32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 GaN: Er薄膜变温阴极荧光分析34-42
• 3.1 引言34
• 3.2 实验部分34-35
• 3.3 结果与讨论35-41
• 3.3.1 Er离子注入对带边发光的影响35-37
• 3.3.2 不同加速电压下的发光性质37-38
• 3.3.3 不同温度下的发光性质38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 不同稀土离子共注入GaN薄膜的光学性质及结构性质研究42-61
• 4.1 引言42-43
• 4.2 实验43
• 4.3 光学性质43-56
• 4.3.1 Pr、Tm单注入43-46
• 4.3.2 共注入Pr、Tm46-49
• 4.3.3 共注入Er、Tm49-50
• 4.3.4 共注入Er、Pr50-52
• 4.3.5 共注入Tm、Er、Pr52-53
• 4.3.6 稀土离子对黄带发光的影响53-54
• 4.3.7 稀土离子对DAP发光的影响54-56
• 4.4 结构性质56-59
• 4.4.1 稀土注入GaN的XRD测试结果56-58
• 4.4.2 稀土注入GaN的Raman测试结果58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 参考文献63-71
• 图表目录71-73
• 致谢73-74
• 作者简历74-75

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