[發明專利]錳鉻共摻的鎂鋁尖晶石熒光襯底材料及其制備方法

無效

• 申請號: 200910199148.1
• 申請日: 2009-11-20
• 公開（公告）號: CN101705088A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 夏長泰;饒汗;楊衛橋;吳鋒;王靜雅;徐曉東;周國清
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: C09K11/64
• 分類號: C09K11/64;H01L33/50
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及制備GaN基及ZnO基白光發光二極管熒光襯底材料，特別是一種錳鉻共摻的鎂鋁尖晶石熒光襯底材料及其制備方法。

背景技術

目前應該最廣泛的光源是白熾燈和熒光燈。雖然白熾燈和熒光燈具有價格便宜、易制備且制備技術成熟；但白熾燈壽命較短，而熒光燈光電轉換效率較低。發光二極管(LED)作為一種新的照明光源，具有效率高、體積小、壽命長、價格低等優點。目前，單色LED(紅、黃、藍、綠等)的技術已經趨于成熟，并且已經商品化。但是單色LED無法用作白光照明光源以及顯示器的背景光源。

目前利用LED來產生白光主要是用藍光LED與釔鋁石榴石(YAG)熒光粉組合發光(參見Shuji?Nakamura，et?al.，The?Blue?Laser?Diode(GaNBased?Light?Emitters?and?Lasers)January?1997，Springer，P?216-221)。原理是將LED發出的藍光一部分用來激勵YAG熒光粉，使熒光粉發出黃光；另一部分藍光和YAG熒光粉發出的黃光混合后即得到白光發射。

利用熒光粉發光和單色LED合成白光的這種設計有一些缺點限制了其性能。如效率低，由于LED發出的藍光大部分都被YAG熒光粉吸收，能出透的藍光很少；而YAG熒光粉將藍光轉變為黃光的轉變效率也很低，最高只能達到10％；而新出現的藍光LED和綠色熒光粉以及紅色熒光粉共同合成白光的方案中，紅色熒光粉的效率很難滿足應用的需求，而且整體的發光效率也很低。另外，運用熒光粉的白光LED對熒光粉和封裝技術的要求較高，如粉體的化學穩定性、耐熱性、粉體的顆粒度及封裝材料的性能等，這些要求都會增加白光LED的生產成本。因此，如果能夠擺脫白光LED對熒光粉的依賴，則不但可以降低生產的成本，同時也可以簡化工藝過程。

到目前為止，碳化硅(6H-SiC)和藍寶石(Al₂O₃)成為GaN異質外延最常用的襯底材料。SiC具有與GaN較小的晶格失配(約3.4％)，已經在熱導和電導性質上的優越性，但仍然比較貴；而且SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發380納米以下紫外激發的LED。藍寶石襯底雖然具有質量高，相對較低的價格優勢，但它具有極高的電阻率，熱導性不好，并且它具有與GaN相差很大的熱膨脹系數，同時與GaN具有很大的晶格失配(約13.9％)。而由于藍寶石即無法吸收藍光而發射黃光，也不能通過電激勵而發射黃光，從而無法單獨使用藍寶石襯底實現白光LED。而ZnO基LED也是現在研究的熱點，且ZnO和GaN有許多相似之處；兩者晶體結構相同、晶格常數十分接近，禁帶寬度接近等，所以能夠用于生長GaN基LED的襯底材料同樣也可以用于生長ZnO基LED。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服上述現有技術的缺點，提供一種用作GaN基和ZnO基藍光半導體外延生長的錳鉻共摻的鎂鋁尖晶石熒光襯底材料及其制備方法，以有效的降低白光發光二極管的生產成本，簡化生產工藝.

本發明的錳鉻共摻的鎂鋁尖晶石熒光襯底材料：MgO_(1-z)·(Al₂O₃)_(x-y)：Mn_z，Cr_y，實際上是在鎂鋁尖晶石單晶體中摻雜可以通過藍光LED激勵發出黃綠光和紅光的Mn、Cr元素構成，其中Mn離子和Cr離子分別取代鎂鋁尖晶石中Mg離子和Al離子的位置；該熒光襯底適合于外延生長高質量GaN基和ZnO基藍光半導體薄膜，并能實現白光發射。

鎂鋁尖晶石晶體熔點高、硬度高，與GaN具有良好的晶格匹配和熱膨脹匹配，如MgO·Al₂O₃晶體其(111)面與GaN晶格的失配比為9％；且具有優良的熱穩定和化學穩定性，以及良好的機械力學性能，是GaN較為合適的襯底材料之一，而ZnO的情況和GaN類似。目前已成功在鎂鋁尖晶石晶體基片上地外延生長出高質量的GaN膜。

本發明的技術解決方案如下：

一種錳鉻共摻的鎂鋁尖晶石熒光襯底材料，其特點在于該熒光襯底材料的分子式為MgO_(1-z)·(Al₂O₃)_(x-y)：Mn_z，Cr_y，其中x的取值范圍是1～5，y的取值范圍是0.00001～0.1，z的取值范圍是0.00001～0.1。