纳米AlGaN的发光特性研究.doc

(完整版)纳米AlGaN的发光特性研究
摘要

AlGaN是一种重要半导体光电材料，具有最高的直接带隙，高热导率，高熔点,高硬度，低膨胀系数，优良的化学稳定性和无毒性等特点[1]。采用化学气相沉积法，在较低工艺温度下将金属铝粉直接氮化合成纤锌矿结构的AlN纳米线和镓掺杂的AlGaN纳米线。分别用拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜（SEM） 和能谱对AlN纳米线的形貌和光学性能进行表征。
比较、分析光致发光光谱，定性的探讨AlGaN的发光机理是缺陷发光。结果表明：不同温度合成的AlGaN的发光谱的峰位不同，是由氮空位或镓空位造成。温度的升高由镓空位引起的缺陷发光带宽有变窄的趋势，由氮空位的引起的缺陷发光带宽有变宽的趋势.目前已知以AlGaN组成的发光层可以实现红色、绿色和蓝色显示的发展状态.随着研究的深入AlGaN将会是一种很有发展前途的发光半导体材料。
关键字：氮化镓铝;半导体材料；发光特性
Abstract

AlGaN semiconductor crystals with high thermal conductivity, high temperature insulation resistance and dielectric properties of materials under high temperature strength, low coefficient of thermal expansion and the match with the silicon semiconductor materials, non—toxic, etc.， with good optical performance. Currently known to AlGaN emitting layer composed of red, green and blue display state of development。 With in—depth study AlGaN will be a promising light—emitting semiconductor crystals.
The use of high temperature vacuum sintering was prepared AlGaN microcrystalline， and photoluminescence measurements。 Compare, analyze and summarize the different crystalline quality of AlGaN spectral peak position and peak width, Qualitative Study on AlGaN light-emitting mechanism. Inspection on AlGaN light—emitting in the English literature， a qualitative understanding of the structure and basic properties of the AlGaN. Inspection of semiconductor materials, light—emitting aspects of the book, understanding between light and matter interactions and the semiconductor material of the light—emitting principle.

Key words: AlGaN；Semiconductor materials;Luminescent properties
目录
1 绪论 1
1.1 研究的意义 1
1。2 氮化镓铝的性质及其研究 1
1。3 氮化镓铝的制备 4
1。3.1 直接氮化法 4
1。3。2 Al2O3热还原法 5
1.3.3 化学气相沉积法 7
1.3.4 等离子体气相合成法 7
2 化学气相沉积法 9
2.1 实验设备 9
2。1。1 平行管式炉 9
2。1.2 压片机 11
2。1.3 超声波清洗器 11
2.1.4 电子天平 12
2。2 化学气相沉积法原理 12
3 氮化镓铝的制备 14
3.1 氮化镓铝制备和相关数据 14
3。1.1 实验药品及其他物品 14
3。2 氮化镓铝制备的实验步骤 14
3。2.1 制备金属源 14
3。2.2 平行管式炉的预处理 14
3.2.3 氮化镓铝的制备 15
4 氮化镓铝的表征 16
4.1 拉曼分析 16
4。1.1 拉曼光谱仪 16
4.1.2 Raman分析 16
4。2 氮化镓铝SEM和能谱分析 17
4。2.1 扫描电镜 17
4.2.2 SEM和能谱分析 18
5 氮化铝镓的发光特性 20
5。1 光致发光 20
5.2 氮化镓铝的缺陷发光 20
5.3 PL光谱分析 21
6 总结 24
致谢 25
参考文献 26
附录A 英文原文 28
附录B 中文译文 34

28

1 绪论
1。1 研究的意义

半导体照明（发光二极管,LED）是新型高效固体光源，具有节能、环保和寿命长等显著优点.世界照明工业的转型和新兴半导体照明产业的崛起，已成为不争的事实［2］。半导体照明以其技术的先进性和产品应用的广泛性，被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。日本理化学研究所理研知识产权战略中心与松下电工共同开发出具有良好杀菌效果的发光二极管(LED），该LED可发出波长为280nm的深紫外光,输出功率为10．6mW，为世界之最。新产品有望用于医院、家庭的便携式杀菌灯或用作氧化钛等光触媒用深紫外光源.
AlGaN半导体晶体由于具有热导率高、高温绝缘性和介电性能好、高温下材料强度大、热膨胀系数低并且与半导体硅材料相匹配、无毒等优点，具有良好的光学性能。目前已知以AlGaN组成的发光层可以实现红色、绿色和蓝色显示的发展状态.随着研究的深入AlGaN将会是一种很有发展前途的发光半导体晶体。

1.2 氮化镓铝的性质及其研究

氮化铝（AlN)为具有六方晶系纤维锌矿型晶体结构的III-V族半导体共价键化合物，其晶体是以「AlN」四面体为结构单位，具有Warzit结构［3].
A1N单晶体的密度和导热率的理论值分别为3。26g/cm，和319W/(m·K);实测值分别为3.259/cm，和280W/(m·K)室温，含氧0.03%.纯净的AlN为无色透明晶体，在常压下分解温度为2480℃。25℃时晶格常数a0=3。1127,c0=4.9816属六方晶系。其晶胞结构如图1。1所示。

图1.1 氮化铝晶胞结构（其中1—Al原子2-N原子a=3.11A，c=4。980A)
从表1。1 可见，在所列举的陶瓷材料中，氮化铝是唯一具有优良综合性能的材料，即具有高的热导率、高的电阻率和相当低的热膨胀系数.从室温到600℃，氮化铝热膨胀系数比商品化的碳化硅还要低。作为基片材料的氮化铝,从室温到200℃的温度范围内均具有优良性能。氮化铝硬度适中，抗弯强度超过氧化铝和氧化硼.由于高的热导率和低的热膨胀系数，其抗热冲击性能也很好，在消除了微孔和第二相的影响下，其弹性模量接近理论值，由此可见氮化铝陶瓷具有优良的机械性能.由表1. 2可知,氮化铝的平均热膨胀系数与硅相近。因此这种新的基片材料在室温范围内非常适用于大型集成电路的封装。
表1.1 氮化铝与其它陶瓷材料的热、电和机械性能对比表

注：室温至600℃

表1.2 不同温度范围内热膨胀系数平均值/x10-6K—1

氮化铝粉末的表面极为活泼，易与空气中的水蒸气发生水解反应,给它的生产和使用带来影响.近年来，氮化铝粉末表面改性的研究工作十分活跃，人们试图通过表面改性来提高它的抗水化性，其有效途径有：
(1）借助疏水性和亲水性有机物等在AIN表面形成涂层包裹;
（2）在一定的氧分压气氛中热处理AIN粉末,在其表面形成致密的氧化铝层[4]。
氮化铝在空气中的氧化行为包括：
(1）氮化铝被氧化成θ-；
(2）进一步发生晶型转变形成α—.经热处理，氮化铝的抗水化性能有一定的提高，将热处理的氮化铝引入刚玉一尖晶石浇注料中，浇注料的抗渣侵蚀性能有所改善。
氮化铝在国际上用于混合集成电路（HIC)、微波集成电路（MIC）、电力电子模块（GTRM、IGBTM）、激光二极管(LD)、刀具材料等领域.尤其是它的热膨胀与半导体硅材料相匹配并且无毒性，是较理想的电子半导体封装所用的支撑散热材料，以取代毒性大的Beo材料[5]。
有关氮化铝的报道最早出现于1862年。当时,氮化铝曾作为一种固氮剂用于化肥中。上世纪50年代，又作为耐火材料用于铝及铝合金等的冶炼。近二三十年来，随着微电子技术的飞速发展，尤其是混合集成电路(HIC)和多芯片（MCM）对封装技术提出了越来越高的要求，作为电路元件及互连线承载体的AlN基片也获得了相应的进步。
氮化铝陶瓷因具有高热导率（理论热导率为319W/（m·K)、低介电常数（约为8。8）、与硅相匹配的热膨胀系数（293—773K，）、绝缘体(电阻率>)、无毒等特点，成为一种理想的电子封装材料，应用前景十分广阔。上世纪90年代初，全世界AIN仅用于电子产品就有5。5亿美元的市场，其中半导体的封装占72%.
氮化铝已成为新材料领域的一大热点，在粉体合成、成形技术、烧结工艺、显微结构等方面的研究都取得了长足的进展。氮化铝陶瓷的制备工艺和性能均受到粉体特性的直接影响，要获得高性能的氮化铝陶瓷，必须有纯度高、烧结活性好的粉体作原料。氮化铝粉体中的氧杂质会严重降低热导率,而粉体粒度、颗粒形态则对成形和烧结有重要的影响。因此，粉体合成是AIN陶瓷生产的一个重要环节.

1。3 氮化镓铝的制备

氮化镓铝的制备主要是有关GaN的制备，其制备方法与AlN的制备相一致。目前，AlN的制备已经形成较完善的多种方法，下面讨论当前运用较广泛的几种制备方法，以供参考[6］。
1.3。1 直接氮化法
直接氮化法就是将Al粉末与氮气直接化合，以碱金属氟化物为触媒，此法需要在1050℃以上长期暴露在氮气中才能得到符合化学式的成分［7].反应式为:
(1。1)
为防止初始反应温度超过Al的熔点（这是因为铝的熔点为660℃，而镓的熔点接近室温，相对较低得多），必须控制反应的升温速度。反应在580—600℃开始，但铝和氮气的合成反应要在1000℃，并让铝与氮气长时间的反应才能完成［8]。在650℃和1000℃两个阶段，要长期保温，产品氮化铝的纯度可达99.9%。氮化铝合成的加热速度列于表1.3。
表1.3 ()合成AlN的加热速度

反应(1.1）可以进行得很快，在1823K下只需2秒就能完成,但实际生产中往往在较低的温度（<1500k)和易于控制的条件下进行反应，这主要是为了提高转化率和防止粉末团聚。尽管如此，铝粉直接氮化法一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的AIN粉，通常需要后处理。Al粉颗粒表面氮化后形成的AIN层会阻碍N2向颗粒中心的扩散，因而转化率也是合成过程中的一个重要问题.
直接氮化法工艺简单,适合于工业上的大批量生产要求，现已用于大规模的生产。但是,该方法也存在着缺点，正如上面提到的，铝粉转化率低，易产生团聚，产品质量差，反应过程难以控制。同时，生成的氮化铝粉末容易自烧结，形成团聚。为了弥补上述的不足，目前已有学者做了新的研究。如日本的Komeya在直接氮化法中将Y、Ca、Li加入到铝粉中,结果发现可以提高氮化的反应速度，其中Li的作用最为明显。针对直接氮化法产物易结块，反应不完全的缺点，日本的Kimnra等人开发了一种悬浮氮化技术,铝粉被氮气流朝上夹带通过高温反应区，在高温反应区转化成为氮化铝。Weimer对悬浮法做了进一步的改进，他用氮化铝稀释铝粉后，在朝下的氮气流夹带下通过高温反应区，接着进入流化床，让它长时间的氮化，此方法在一定程度上克服了直接氮化法产物易结块、反应不完全、氮化铝粉粒径偏大的缺点。

1。3.2 Al2O3热还原法

碳热还原法是采用超细氧化铝粉和高纯度碳黑作为原料，经过球磨混合，最后置于石墨柑祸中，在碳管炉中氮气气氛下合成.合成温度范围为1600—1750℃，保温时间4-10h，然后在氮气气氛下冷却，最终得到黑色粉末状的氮化物，再在空气中,600—700℃下保温10—16h［9］。
（1.2）
这种方法目前在工业生产中应用得最为普遍。一般认为，反应(1。2）分为两步完成，第一步由C还原生成气相中间产物Al（g）和(g),然后由第二步氮化生成AIN.
由(1.2）反应式中可见，/C的摩尔比为3:1。但一般来说,想要完全转化成AIN,则需要降底/C摩尔比。因此在该方法中必须加入适当过量的碳，即能加快反应速率，又能提高铝粉的转化率，还有助于获得均匀、适中的粒径分布。但此方法也存在着缺点，过量的碳粉必须在反应完全之后于600—900℃的干燥空气中进行脱碳处理,增加了生产成本。
因此近年来，如何减少C的添加量,降低反应的活化能、降低反应温度和选择合适的原料成为优化氧化铝碳热还原反应的重点。
日本的Komeya研究了添加大量不同种类的添加剂对反应速度的影响，发现Ca是最有效的添加剂，可以把反应激活能降低，从而加速反应的进行.随着研究的进一步深入，人们发现加入的碳源不一定就局限于碳黑一种,用液态的有机溶剂、热解树脂或蔗糖作碳源，也能够使反应完全，并且碳含量也容易控制。许多研究表明在α-,β—，η-，θ—等不同铝源中，γ—和碳的反应活性最好。蒋新等人通过对使用不同起始原料，如碳黑、活性炭、α-：和等合成的氮化铝粉末性质进行比较，发现活性炭和有助于加快反应速率，提高产物氮含量。另外，在α—和活性炭中添加少量的氟化物具有催化功效.
据报道，国内是由上海硅酸盐研究所的黄莉萍等人最早用氧化铝碳热还原制备氮化铝粉末的。
在用碳热还原法制备AIN粉体的工艺中，常加入CaO、Ca、等作催化剂，其中加Ca可以更为有效地降低活化能，提高反应速度。制备中总是加适当过量的碳，这样既能加快反应速度，又能提高转化率，还有助于控制粉末团聚和获得理想的粒径分布,残余的碳可以在空气中837K左右烧除［10]。
用碳热还原法合成的AIN粉体纯度较高，成形和烧结性能都比较好，但合成温度高,反应时间长，粉体粒度也比较大.

1。3.3 化学气相沉积法

基于铝的挥发性化合物与氨和氮气的化学反应从气相中沉积氮化铝，可分为等离子体化学气相沉淀法、激光化学气相沉淀法和热化学气相沉淀法.按照源物质的不同，又可分为无机物(卤化铝）和有机物（烷基铝）化学气相沉积法.最常见的是用或铝的金属有机化合物为原料,与通过下述两个气相反应过程合成AIN。
(1.3）
（1.4）
反应（1。3）一般在873—1373K的温度范围内进行,随着温度的升高和n（)/n()的增大，转化率及生成AlN粉的结晶程度提高，反应(l.3）生成的HCI往往带来不利的影响，用为原料则可避免这一问题，而且（1。4)的反应温度也比较低，在673K即可迅速完成，生成高纯AIN粉。有研究表明，随着进料温度的不同，会在不同阶段产生不同的中间产物。为了缩短工艺流程,因此可以直接采用多氨化合物直接反应生成氮化铝粉末。当选用烷基铝代替无机铝时，反应过程简单,且不会产生HCI，生成的烷基会随着反应温度的升高而逐渐失去.
与其他方法相比，此法最适合于连续生产,而且这种方法可以方便地控制AIN颗粒的成核和生长速率，从而获得尺寸均匀的超细粉.

1。3.4 等离子体气相合成法

等离子体是一种高温、高活性、离子化的电导气体。，等气体在电弧的超高温下热解，成为原子状和离子状的氮和氢。它们与金属接触，大量气体就溶入金属,如将Al粉输送到等离子火焰区内，在温度高达1万多度的火焰高温区内，粉末立即熔化挥发，与氮离子迅速化合而成为AIN粉末[11]。而没有接触电弧的表面则放出气体，并伴随金属的蒸发，金属表面和金属蒸气与等离子又发生反应而生成金属化合物。使用直流电弧等离子发生器或高频等离子发生器,在等离子发生器中几乎所有的颗粒都处在高能量状态，可以以高速度和氮气进行反应，因此该方法能有效地缩短反应时间，合成粒度细、比表面大、具有良好烧结活性的AIN粉末[12］.同时，制得的粉末无须经过球磨等二次加工工序，可以避免带入外来杂质，粉末质量高.但设备比较复杂，反应不完全、制得的AIN氧含量较高，因此应用受到一定的限制。
等离子体气相合成法可分为直流电弧等离子体法、高频等离子体法和微波等离子体法等。其共同的最大特点是:在无氧条件下,即可使得温度升至几千K,甚至上万K，使铝粉或铝块迅速熔融、气化，此法制得的是无污染的干燥粉体，并且颗粒粒度较细、分布均匀。直流电弧等离子体法利用电弧间放电产生高温射流，以铝金属块或铝粉为原料,在Ar，N或H等离子体射流中迅速熔融、气化、反应、成核、长大，最终形成纳米氮化铝粉体;V。Mortct等利用高频等离子体法制备出了纳米氮化铝粉体,但是其能量利用率低，产物稳定性较差;R。K.Kalynaaramna和M。L。Pnahcula等利用微波等离子体法制得了纳米AIN粉体，粉末纯度较高,其热传导系数与理论值相近，但是由于其处理量较小，得到的粉体虽然粒度较细、粉末纯度较高,只能停留在实验室阶段［13]。现在的研究多采用直流电弧等离子体法，用铝金属为原料，在A，或等离子体射流中直接气化反应，制备得到了平均粒径≤100nm的氮化铝粉体[14］。研究结果表明:该方法制备的纳米氮化铝粉体团聚少，平均粒径小，缺点是所用方法为非定态反应，只能小批量处理，不能连续反应，难于实现工业化。
2 化学气相沉积法

2.1 实验设备

2.1.1 平行管式炉

图 2.1平行管式炉
如图2。1所示，平行管式炉主要用于电子陶瓷产品的预烧、烧结、镀膜、高温热解低温沉积（CVD）工艺等。
其系统供气原理图如下图2.2所示：

图2.2 供气系统
其真空配套设备有：机械泵，真空系统。
其高温炉参数如下:
炉管尺寸：Φ80×1200mm
加热元件:电阻丝
加热区长度：220mm
恒温区长度: 200mm
工作温度：≤1100℃
最高温度：1200℃
控温方式:智能化30段可编程控制
恒温精度:±1℃
炉门结构：开启式
工作电源：AC220V /50HZ/60HZ
额定功率: 2。5KW
外型尺寸：650×480×620mm

2。1。2 压片机

图2.3压片机
压片机主要由2部分组成，主体成型部分如图2.3所示。该设备采用的是气压法,最高压力可达12吨。
2.1.3 超声波清洗器

图2.4超声波清洗器
当超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化作用”,超声波清洗正是用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。
图2.4所示的超声波清洗器的数据参数如下：
超声波功率：200W
超声频率：28/40KHz
内槽尺寸：250×200×230
加热功率：500W/220V
2.1。4 电子天平

图2。5电子天平
如图2。5所示为电子天平，其精度为万分之一，周围有玻璃罩，可隔绝风对测量的影响。并且可以只能调节准值.

2.2 化学气相沉积法原理

图2。6 平行管式炉示意图

化学气相沉积法制备AlGaN。以钼舟上的铝,镓混合物为金属源，NH3提供氮源，在氩气作为载气氛围下，控制温度在950℃,当蒸汽压浓度足够大的时候在金的催化下与N原子结合成AlN核沉积在硅片上，生长形成AlGaN纳米材料［16］。其反应式如下：
(2.1）
（2。2）
3 氮化镓铝的制备

3。1 氮化镓铝制备和相关数据

3。1。1 实验药品及其他物品

实验药品:铝粉（纯度5N，分析纯AR，（氯化物≤0.01％，碱金属及碱土金属≤0.50％，重金属≤0.005%，硫酸盐≤0。05%，灼烧失量≤5。0％，水中溶解物≤0。5%，铁≤0.01％，硅酸盐合格)；高纯度NH3:
钼片:钳成槽形，与实验所用试管相适应，盛金属混合物;
石英试管:耐高温，作为反应空间。

3。1.2 氮化镓铝制备的物理参数
表3。1:物理参数

氩气流量
氨气流量
时间
备注
平行管式炉抽真空
0 sccm
0 sccm
10 分钟
3.1.2-1
升温阶段
50sccm
50sccm
25 分钟
3。1。2—2
反应阶段
50sccm
0 sccm
150分钟
3。1。2—3

3.2 氮化镓铝制备的实验步骤

3。2.1 制备金属源

用脱脂棉蘸无水乙醇擦拭小烧杯及药勺,待其干后，取一0。5g铝粉倒入烧杯，加无水乙醇至20ml，待用；取已钳制的钼片（长1cm，宽0.5cm，边缘高0.5cm)，擦拭干净，放入待用烧杯中;将烧杯盖上盖，在超声波清洗器中震荡10分钟；取出钼片，烘干后在上面点多个金属镓点，再次烘烤5分钟，制得待用金属源.所制得的金属源，其中铝粉薄厚均匀，镓掺杂适宜，金属粉末层不易脱落.

3.2。2 平行管式炉的预处理

将镀金硅片盖在待用金属源上，注意光滑面向上，放入试管中；把石英小试管推入真空管式炉中心处(试管应在加热部位正上方），保持金属源层与硅片平行且水平；封闭真空系统。

3.2.3 氮化镓铝的制备

首先把真空泵打开,将真空系统抽到5帕左右,通入氩气到常压，如此往复3次，进行洗气,最后是真空系统充满氩气，将出气管进行水封。设定加温目标温度值，开始加温（此时调整参数参考3。1.2—2）；待温度稳定在目标值时，保持此温度，按数据3。1。2-3进行操作；降温操作，关闭加温按钮，先扭紧气瓶总闸，待进气流量显示为0时，关闭外闸，关闭出气口闸，将出气孔从封水中取出；关闭实验电源，待冷却12小时后，取出样品.重复上面实验步骤加热到850℃，900℃，950℃并使用控制变量法改变氨气的流量，以寻求最佳的制备条件。

4 氮化镓铝的表征

4。1 拉曼分析

4.1.1 拉曼光谱仪
拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成,光源一般采用能量集中、功率密度高的激光，收集系统由透镜组构成，分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光，检测系统采用光电倍增管检测器、半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件[17].本实验使用的是英国雷尼绍（Renishaw）公司生产的inVia 型共聚焦显微Raman 光谱仪，光源为He-Cd激光,激发波长325 nm，如图4。1.

图4。1 光谱仪

4。1.2 Raman分析

图4。2 AlGaN的拉曼光谱

图4.2是AlN掺杂镓纳米线的拉曼光谱，从图中可以看出，E1（low）（247.2cm-1)、A1(TO） (617。2 cm—1）、E2(high）(655.5 cm—1）、E1（TO）(669。8 cm-1） 这4个振动模式可以清楚地被指认出来，A1（LO)和E1(LO）在拉曼频率为（900.2 cm—1）处叠加。由于拉曼（Raman）散射光谱仪是测定晶体的结晶质量的一个非常有效的手段,它能够判别纳米材料中的应力和缺陷， 而且可以研究声子的振动特性［18］。Raman 光谱的测量使用的激发波长514.5 nm，采用背散射配置。E2（high）模式是AlN 拉曼散射光谱中最容易观察到的振动模式，所以通常用这个模式的峰值来分析AlN的晶体的结晶质量[19］。本实验E2(high）模式的峰值(655.5 cm-1）与单晶体材料AlN 的值（656 cm-1）非常接近。此外，低频E2(low）模式的出现也表明AlN 纳米线结晶质量较好［20］。
4.2 氮化镓铝SEM和能谱分析

4.2.1 扫描电镜

扫描电镜是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。扫描电镜主要有真空系统，电子束系统以及成像系统。本实验使用的是日立公司扫描电镜，如图4.3.

图4。3 扫描电镜
4。2。2 SEM和能谱分析
图4-4是AlGaN纳米线的SEM 照片,明显地看到合成的AlGaN纳米线表面光滑。从图中可以看出AlGaN纳米线尺寸比较小,聚集在一起大约有。在图4。4中标记“谱图 57”处，做一下能谱如图4。5 AlGaN的能谱图，从能谱上看到在“谱图 57”处有N，Ga，Al，Si，Au元素，其中Si是基底,Au是在Si基底镀上的2nm薄层。由此可以证明AlGaN纳米线成功得到。

图4。4 AlGaN的SEM照片

图4.5 AlGaN的能谱图
5 氮化铝镓的发光特性

5.1 光致发光

光致发光（简称PL）是指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。光致发光是多种形式的荧光（Fluorescence）中的一种。光致发光是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不损坏材料。光直接照射到材料上,被材料吸收并将多余能量传递给材料，这个过程叫做光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗掉.由于光激发而发光的过程叫做光致发光。
5。2 氮化镓铝的缺陷发光

如图5.1左侧是纤锌矿AlN结构模型,如图5.1模型右侧,由于有Ga的掺杂，一个Ga原子代替了一个Al原子，或者出现一个N原子的空位，而产生的发光是氮化镓铝缺陷发光。

图5。1 纤锌矿AlN结构模型

5.3 PL光谱分析

氮化镓铝的室温光致发光光谱测量使用的是波长为325 nm 激发线，如图5。2到图5.5中,在400-650 nm范围内有个非常宽的发光带。很明显,这个发光带不是来自本征带隙的发射。关于AlN 纳米结构的光致发光特性，不同的AlN 纳米结构发光带中心是不同的，而且每个AlN 纳米结构有几个发光带，表明AlN 纳米结构的能带结构的复杂性.目前的文献报道认为，中心在380 nm 或小于380 nm 的发光带可能是由O 杂质导致；中心在450 nm 附近的发光带是由AlN 纳米结构中的Al 或掺杂引起；中心在519 nm 附近的发光带也是由N 空位造成。本实验合成的AlGaN纳米结构的光致发光的缺陷发光造成的，在中心为450nm左右 的发光带可能是由AlN纳米线中Ga掺杂造成。在中心为519nm左右的发光带可能是由AlN 纳米线中N空位造成。

图5.2 1050℃合成的AlGaN在室温下的光致发光图谱和能带示意图

图5.3 950℃合成的AlGaN在室温下的光致发光图谱和能带示意图

图5。4 900℃合成的AlGaN在室温下的光致发光图谱和能带示意图

图5。5 850℃合成的AlGaN在室温下的光致发光图谱和能带示意图

图5。2到图5。5的左侧是分别在1050℃，950℃,900℃，850℃合成的AlGaN在室温下的光致发光图谱,右侧是所对应的能带示意图。图中VN-是N空位,VGa—是Ga空位，VGa-ON是Ga空位和O杂质的复合体。价带（Valence Band)：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带.导带（Conduction Band):价带以上能量最低的允许带称为导带.
表5.1 不同温度的AlGaN缺陷发光
温度
N空位
Ga空位
1050℃

波长
419nm
波长
531 nm
带宽
2。96ev
带宽
2.34 ev
950℃

波长
449 nm
波长
518 nm
带宽
2.76 ev
带宽
2.39 ev
900℃

波长
450 nm
波长
515 nm
带宽
2。76 ev
带宽
2。41 ev
850℃

波长
451 nm
波长
507 nm
带宽
2.75 ev
带宽
2.45 ev
由表5。1不同温度的AlGaN缺陷发光,可以观察到温度的升高由镓空位引起的缺陷发光带宽有变窄的趋势,由氮空位的引起的缺陷发光带宽有变宽的趋势。

6 总结

在氮化铝掺杂镓实验中，通过Raman的表征：E2(high）模式的峰值(655。5 cm—1)与单晶体材料AlN 的值(656 cm—1）非常接，低频E2（low）模式的出现也表明掺杂镓的AlN 纳米线结晶质量较好；SEM和能谱的表征: 存在N，Ga,Al元素组成的氮化镓铝纳米线.氮化镓铝的发光特性研究表明：氮化镓铝的发光是缺陷发光：温度的升高由镓空位引起的缺陷发光带宽有变窄的趋势,由氮空位的引起的缺陷发光带宽有变宽的趋势。
致谢

本论文的顺利完成,首先要感谢我的指导老师沈龙海老师，从选题开始即我对题目所做的介绍，到确定选题后为我所做的一系列的辅导，处处体现了沈老师治学严谨的工作态度,使我深受影响，对我日后能全身心的投入到论文中有很大的帮助，最重要的是沈老师教给了我科学的分析问题、解决问题的方法，使我受益颇深.
我还要感谢的是王楠学姐，她在毕业设计期间给与我们的指导,不论是在每天的实验阶段，还是后面的论文写作阶段,都给了我很大的帮助。同时，王楠学姐也帮助我们解决实验上的难题出谋划策，使实验有条不紊,顺利完成。
再一次感谢所有关心和帮助过我的老师和同学。
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