GaN基底的光致发光和闪烁特性

《Optical Materials》：Photoluminescence and scintillation properties of the GaN substrate

GaN基半导体闪烁体光致发光与闪烁特性研究表明，其由n-GaN层和自由-standing GaN基板构成的双层结构中，n-GaN层存在束缚激子或DAPs及碳杂质双峰，基板则呈现束缚激子或DAPs与VGa-ON-2Hi复合物双峰，光致发光与闪烁衰减时间分别为纳秒级和毫秒级，n-GaN层光子产额达10400 photons/MeV，基板为9000 photons/MeV，证实高结晶质量GaN基材料在闪烁体应用中的潜力。

　　

富永雄太 | 加藤卓海 | 西川昭宏 | 宫崎圭一郎 | 中内大辅 | 川口典明 | 浦冈幸晴 | 柳田隆之

福冈大学电气工程系，日本福冈市七熊8-19-1，814-0180

摘要

本文评估了用于功率器件应用的氮化镓（GaN）衬底（由n型GaN（n-GaN）和独立GaN衬底组成的双层结构）的光致发光（PL）和闪烁特性。PL和闪烁光谱测量结果显示，n-GaN中的束缚激子或施主-受主对（DAPs）以及碳（C）杂质以及独立GaN衬底中的束缚激子或DAPs和V_Ga-O_N-2H_i复合体产生了发光峰。束缚激子或DAPs的PL和闪烁衰减时间在纳秒级别，而其他缺陷（C杂质和V_Ga-O_N-2H_i复合体）的衰减时间在毫秒级别。使用²⁴¹Am 59.5 keV γ射线和²⁴¹Am 5.5 MeV α射线照射的脉冲高度谱计算得到的闪烁光产额（LY）分别为：n-GaN为每MeV 10,400个光子，独立GaN衬底为每MeV 52,500个光子；5.5 MeV α粒子为每MeV 9,000个光子和每MeV 106,000个光子。

引言

闪烁体是一种荧光材料，能够将吸收的离子化辐射能量转化为大量低能光子（即闪烁光子）。当离子化辐射被闪烁体吸收时，会产生一个初级电子，该电子将吸收的能量转化为动能。这个初级电子通过库仑相互作用激发周围的电子，产生许多次级电子。这些次级电子逐渐释放能量并在发光中心复合，从而发出闪烁光子[1]、[2]、[3]。闪烁体与光电倍增管和光电二极管等光电探测器结合使用，用于辐射探测器中。这类探测器（闪烁探测器）应用于医疗[4]、[5]、安全[6]、[7]、环境监测[8]和井下测井[9]、[10]等多个领域。这些应用所需的闪烁体特性包括高光产额（LY）、快速衰减时间、低余辉水平、高密度和化学稳定性。然而，不同应用对闪烁体的具体要求各不相同，因此相关材料研究仍在进行中。

近年来，一类称为半导体闪烁体的新型闪烁体[11]、[12]受到了广泛关注。半导体闪烁体不包含作为发光中心的掺杂剂，其发光由基体材料本身产生。根据Robbins模型[1]，闪烁LY与 × Q成正比，其中表示从基体到发光中心的能量传输效率，Q等于光致发光（PL）量子产额（QY）。在这种基体发光材料中，基体本身充当发光中心，理想情况下接近100%。此外，具有直接光学跃迁的宽禁带半导体（电子和空穴复合时动量不变）具有进一步的优势。据报道，这些材料的带边复合辐射衰减时间可达到纳秒级别[13]。因此，宽禁带半导体闪烁体可以实现高LY和快速衰减时间。然而，尽管具有这些理想特性，半导体闪烁体的实际性能仍不尽如人意[11]、[12]、[13]，大多数半导体闪烁体仅在低温下才能产生可检测的信号[11]、[12]、[13]。

在此背景下，我们重点研究了氮化镓（GaN）。GaN是一种众所周知的直接宽禁带半导体，广泛应用于蓝光发光二极管（LEDs）[14]、激光二极管（LDs）[15]以及功率器件[16]、[17]、[18]中。GaN在室温下表现出与激子相关的发光现象，衰减时间在纳秒级别。此外，通过掺杂Si[19]、Mg[20]、Zn[20]和In[21]等杂质，可以调节其发射波长，使其覆盖紫外到可见光区域，从而与光电二极管和光电倍增管等光电探测器实现良好的光谱匹配。基于这些特性，GaN被认为是高性能闪烁体材料的有力候选者。我们之前使用沉积在Al₂O₃衬底上的GaN薄膜进行的研究表明，其闪烁衰减时间快（1.6 ns和8.4 ns），光产额高（23,000–70,000光子/MeV）[22]。据我们所知，这是第二种在室温下表现出理想性能的半导体闪烁体，另一种是G₂O₃，它也用于功率器件[23]。由于目前市场上可用的GaN材料有限，关于GaN闪烁特性的研究还不多。实际上，我们首次尝试使用GaN作为闪烁体并未取得理想效果[24]，其他研究也较为有限[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。这些研究仅报道了GaN的阴极发光[25]、闪烁图像[26]、闪烁和光学行为模拟结果[27]、闪烁光谱[28]、[29]、[30]以及光致发光[31]，但没有提供定量闪烁LY和衰减时间的数据。因此，我们最近的研究结果[22]是GaN作为闪烁体的唯一成功案例，关于GaN闪烁特性的许多问题仍有待解答。GaN中的激子发射强度很大程度上取决于晶体质量[32]，在低质量晶体中可能无法清晰观察到激子发光[24]。在本研究中，我们使用双层GaN衬底评估了高质量GaN的闪烁特性。n型GaN层在独立GaN衬底上同质外延生长，预计其激子闪烁性能优于在异质衬底上生长的异质外延GaN薄膜[22]。

实验方法

该GaN样品最初是为功率器件应用而制备的[16]。GaN衬底具有由n型GaN（n-GaN）层和独立GaN衬底组成的双层结构，如图1所示。独立GaN衬底是通过在Al₂O₃衬底上生长低电阻GaN（厚度约350 μm）并分离Al₂O₃衬底制成的。随后，在该基板上生长了掺杂Si（浓度为1.5 × 10^-16 cm^-3）的n型外延层。

结果与讨论

图2展示了n-GaN表面和独立GaN衬底表面在室温和365 nm激发光下的外观。两种表面的GaN样品都是无色透明的，但在紫外光照射下显示出不同的发光颜色：n-GaN表面发出黄光，而独立GaN衬底表面发出橙光，表明它们的光学性质不同。

图3（a）和（b）分别展示了GaN样品的PL激发光谱和发射光谱。

结论

本文评估了GaN衬底的光致发光和闪烁特性。GaN衬底具有n-GaN和独立GaN衬底的双层结构，表现出不同的性质。在n-GaN中观察到了束缚激子或DAPs以及C杂质的两个发光峰，在独立GaN衬底中观察到了束缚激子或DAPs以及V_Ga-O_N-2H_i复合体的两个发光峰。确认了n-GaN和独立GaN衬底的PL和闪烁衰减时间。

CRediT作者贡献声明

加藤卓海：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。富永雄太：撰写 – 初稿撰写，数据分析，概念构思。宫崎圭一郎：实验研究。西川昭宏：实验研究。川口典明：撰写 – 审稿与编辑。中内大辅：撰写 – 审稿与编辑。柳田隆之：撰写 – 审稿与编辑，指导。浦冈幸晴：数据分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了日本板玻璃基金会生物医学工程研究中心与合作研究项目以及细川粉末技术基金会的支持。