CN109852381A - 一种Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜及其制备方法 - Google Patents

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本发明提供了一种增强近红外光致发光的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜及其制备方法。本发明的氧化镓薄膜包括依次叠置的衬底和氧化镓薄膜，氧化镓薄膜为Yb和Er共掺杂的β‑Ga2O3薄膜，衬底为Al2O3衬底。本发明的方法采用激光脉冲沉积法生长氧化镓薄膜。本发明易于实现稀土离子掺杂浓度调控，工艺可控性强、容易操作。本发明制得的氧化镓薄膜表面致密、厚度稳定均一、且复性好，具有能显著增强氧化镓薄膜近红外发光的优点。

Description

一种Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于发光薄膜材料领域，特别涉及一种稀土元素镱(Yb)或铒(Er)共掺杂的氧化镓薄膜及其制备方法，该薄膜用于增强近红外发光。
背景技术
稀土掺杂材料在照明、激光、光纤通信和生物医学等领域有广泛的应用，特别是拥有独特发光特性的稀土掺杂半导体薄膜材料，在显示发光、生物检测等应用中具有独特的优势，受到了越来越多研究机构和人员的关注。基质材料的选取对于制备高性能稀土掺杂半导体薄膜材料并进一步制备性能更加优良的电子器件至关重要。氧化镓(Ga2O3)是一种直接带隙的III-V族化合物，有良好的化学、热稳定性，是一种近年来颇受关注的新型第三代半导体材料。一般而言，稀土离子4f电子受到外层5s5p电子的屏蔽保护从而可以减弱温度、湿度等环境因素的影响，电子吸收能量而在稀土离子能级内的光学跃迁被限定在4f内层电子之间，所以稀土掺杂的氧化镓薄膜的发光谱一般都是单一的、窄谱线的发光峰；同时它还有高亮度、低能耗和使用寿命较长等优点。其中，稀土元素铒(Er)能够在近红外波段1.54μm发光，且发光寿命较长，能够被用于光纤信号传输发光中心的离子，有着极为广泛应用前景。
目前，Er掺杂的氧化镓薄膜的研究还处于起步阶段，现有的Er掺杂的氧化镓薄膜普遍存在发光强度较弱，发光效率偏低的问题，难以满足实用要求。这使得增强稀土离子在氧化镓薄膜中的发光性质显得尤为迫切。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种稀土元素Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜发光薄膜的制备方法，可应用于近红外发光材料领域。
本发明在Al2O3衬底上制备了一种增强近红外发光稀土元素Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜。该发明为氧化镓基发光材料，特别是近红外波段发光薄膜的制备提供理论和技术支持。
本发明的增强近红外光致发光的稀土元素Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，包括依次叠置的衬底和氧化镓薄膜，所述氧化镓薄膜为Yb和Er共掺杂的β-Ga2O3薄膜，所述衬底为Al2O3衬底。
根据本发明的优选实施方式，所述Al2O3衬底是(0001)取向的。
根据本发明的优选实施方式，所述氧化镓薄膜的厚度为100nm至300nm。
根据本发明的优选实施方式，所述Yb的掺杂浓度为2.5％，所述Er的掺杂浓度为0.5％。
本发明还提出一种Yb和Er掺杂的氧化镓薄膜的制造方法，包括：在衬底上，采用激光脉冲沉积法生长氧化镓薄膜。其中，所述氧化镓薄膜为Yb和Er共掺杂的β-Ga2O3薄膜，所述衬底为Al2O3衬底。根据本发明的优选实施方式，所述激光脉冲沉积法采用的靶材为Yb和Er的氧化镓陶瓷。
根据本发明的优选实施方式，所述激光脉冲沉积法的生长参数包括：脉冲激光能量为1J/cm2～5J/cm2。
根据本发明的优选实施方式，所述激光脉冲沉积法的生长参数还包括：脉冲激光频率为1Hz～5Hz。
根据本发明的优选实施方式，所述激光脉冲沉积法的生长参数还包括：衬底温度为600℃～850℃。
根据本发明的优选实施方式，所述激光脉冲沉积法的生长参数还包括：生长气压为1×10-3Pa～1Pa。
本发明的有益效果是：
1.本发明制备过程简单，所用衬底为商业产品，采用商业化的制备方法激光脉冲沉积生长薄膜，工艺可控性强，易操作，所得薄膜表面致密、厚度稳定均一、可大面积制备、重复性好。
2.本发明所得的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜在近红外波段发光信号强，转化效率高，制造工艺简单，所用材料容易获得，具有广阔的发展前景。
附图说明
图1是通过本发明一个实施例的方法在Al2O3衬底制备的稀土元素Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜结构示意图；
图2是用本发明一个实施例的方法制得的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜和对照例制得的纯氧化镓薄膜、单Er掺杂氧化镓薄膜的XRD图；
图3是用本发明一个实施例的方法制得的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的扫描电子显微镜图；
图4是用本发明一个实施例的方法制得的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜和对照例制得的纯氧化镓薄膜、单Er掺杂氧化镓薄的光致发光图。
具体实施方式
为了提高稀土掺杂发光材料的发光效率，可以从稀土离子敏化剂、发光中心和基质材料等几个方面出发。为此，总的来说，本发明提出一种稀土元素Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜及其制备方法，其能够增强近红外发光。稀土元素Yb能够将能量有效地转移给其它离子，是一种敏化剂，可以成为发光材料的敏化中心。但是，氧化镓薄膜材料的制备难度很大，薄膜的结晶质量对基于该薄膜的功能器件的性能好坏影响很大。本发明提出的制备方法成功的将Yb和Er元素共掺杂进氧化镓薄膜，获得了此类氧化镓薄膜的最佳生长条件，能够制备出高结晶质量的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，增强薄膜在近红外波段的发光。
本发明以氧化镓薄膜为基质，以稀土Yb为敏化剂，以稀土Er为近红外发光中心，通过敏化剂和发光中心共掺杂，实现增强的近红外光致发光薄膜材料。本发明提出的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，包括依次叠置的衬底和氧化镓薄膜，氧化镓薄膜为Yb和Er共掺杂的β-Ga2O3薄膜，衬底为Al2O3衬底。所述Al2O3衬底优选为(0001)取向的，氧化镓薄膜的厚度优选为100nm至300nm，所述Yb的掺杂浓度优选为2.5％，所述Er的掺杂浓度优选为0.5％，脉冲激光能量优选为1J/cm2～5J/cm2，脉冲激光频率优选为1Hz～5Hz，衬底温度优选为600℃～850℃，薄膜的生长气压优选为1×10-3Pa～1Pa。
以下结合附图并通过具体实施例进一步说明本发明，该实施例是一种制备增强近红外发光氧化镓薄膜的方法，该方法包括如下步骤：
(1)取一片10mm×10mm×0.5mm大小的Al2O3衬底，将衬底依次浸泡在15毫升的丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声15分钟，取出后再用流动的去离子水冲洗，最后用干燥的N2气吹干，等待下一步使用。
(2)将上述清洗干净的Al2O3衬底放入沉积室，采用激光脉冲沉积在其上生长Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜。
具体来说，以Yb(2.5％，重量百分比wt％，下同)和Er(0.5％)共掺杂的氧化镓陶瓷为靶材，激光脉冲沉积技术的具体生长参数如下：背底真空压强小于1×10-6Pa，工作气氛为氧气，工作气压为5×10-2Pa，衬底温度为750℃，激光波长为248nm，激光能量为2J/cm2，脉冲激光频率为5Hz，脉冲数为25000下，得到的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的厚度约200nm。由于可以方便的选择靶材料的掺杂元素，因此本如果发明易于实现稀土离子掺杂浓度调控。
通过上述步骤制备获得Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜如图1所示，其包括Al2O3衬底1、Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜2。当Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜收到激发光(255nm)激发后，发出1.54μm波长的发射光。
作为对照，我们在制备上述Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的同时，采用相同的激光脉冲沉积方法和相同的参数，但分别采用99.99％纯度的纯氧化镓陶瓷和单Er(0.5％)掺杂的氧化镓陶瓷作为靶材，制备对照的氧化镓薄膜。
图2给出了纯氧化镓薄膜、单Er掺杂氧化镓薄膜和Yb和Er共掺杂氧化镓薄膜的XRD，可以看出，除了Al2O3衬底峰外，有且仅有β-Ga2O3(-402)的衍射峰，说明所有的样品都是沿着(-201)晶面外延生长的β相氧化镓薄膜。同时，相对于纯氧化镓薄膜而言，单Er掺杂氧化镓薄膜以及Yb和Er共掺杂氧化镓薄膜的(-402)衍射峰峰位向低2θ角度偏移，说明掺杂氧化镓薄膜的(-201)面间距随掺杂元素的增多而变大。
图3给出了稀土元素Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的截面扫描电子显微镜图，可以看出薄膜厚度约为200nm，表面相对平整且结晶良好。
图4给出了纯氧化镓薄膜、单Er掺杂氧化镓薄膜和Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜在254nm氙灯激发下样品的室温光致发射光谱。经研究发现，纯氧化镓薄膜在近红外区域没有光致发光峰，单Er掺杂氧化镓薄膜在1.54μm波长处可以被激发出光致发光峰，但发光强度较弱，而Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜在1.54μm波长处的光致发光峰被极大增强，说明可以通过掺杂稀土元素Yb，能够将能量有效地转移给Er元素，从而提高稀土掺杂发光材料的发光效率。
对于上述实施例公开的具体实施方式，本领域的技术人员可在一定的范围内变化，具体如下：根据本发明的优选实施方式，所述靶材为99.99％纯度的Yb和Er共掺杂的氧化镓陶瓷，其中Yb元素掺杂浓度为2.5％，Er元素掺杂浓度为0.5％。所述沉积过程工作气氛为氧气，薄膜生长工作气压为1×10-3Pa～1Pa，优选5×10-2Pa。所述衬底温度为600℃～850℃，优选为750℃。所述激光波长优选为248nm，脉冲激光能量为1J/cm2～5J/cm2，优选为2J/cm2，脉冲激光频率为1Hz～5Hz，优选为5Hz，脉冲数优选为25000下。得到的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的厚度优选为200nm。。
可见，在上述实施例中，本发明的制备方法的条件容易控制，重复性好，稳定性高，适宜进行大规模生产。本发明制备的氧化镓薄膜为一种在近红外波段，特别是1.54μm波段增强发光的薄膜材料。
本发明使用的基质材料氧化镓薄膜具有较宽的禁带宽度、高透光性、优异的热稳定性和化学稳定性。本发明利用激光脉冲沉积生长薄膜，易于实现稀土离子掺杂浓度调控。本发明的工艺可控性强、容易操作。本发明制得的氧化镓薄膜表面致密、厚度稳定均一、且复性好，制造工艺简单，且所用材料容易获得。本发明通过掺杂敏化剂Yb，具有能显著增强氧化镓薄膜近红外发光的优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，包括依次叠置的衬底和氧化镓薄膜，其特征在于：所述氧化镓薄膜为Yb和Er共掺杂的β-Ga2O3薄膜，所述衬底为Al2O3衬底。
2.如权利要求1所述的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，其特征在于：所述Al2O3衬底是(0001)取向的。
3.如权利要求1所述的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，其特征在于：所述氧化镓薄膜的厚度为100nm至300nm。
4.如权利要求1所述的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜，其特征在于：所述Yb的掺杂浓度为2.5％，所述Er的掺杂浓度为0.5％。
5.一种Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的制造方法，包括：
在衬底上，采用激光脉冲沉积法生长氧化镓薄膜；
其特征在于：
所述氧化镓薄膜为Yb和Er共掺杂的β-Ga2O3薄膜，所述衬底为Al2O3衬底。
6.如权利要求5所述的氧化镓薄膜的制造方法，其特征在于：所述激光脉冲沉积法采用的靶材为Yb和Er的氧化镓陶瓷。
7.如权利要求5所述的氧化镓薄膜的制造方法，其特征在于：所述激光脉冲沉积法的生长参数包括：脉冲激光能量为1J/cm2～5J/cm2。
8.如权利要求7所述的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的制造方法，其特征在于：所述激光脉冲沉积法的生长参数还包括：脉冲激光频率为1Hz～5Hz。
9.如权利要求8所述的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的制造方法，其特征在于：所述激光脉冲沉积法的生长参数还包括：衬底温度为600℃～850℃。
10.如权利要求9所述的Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜的制造方法，其特征在于：所述激光脉冲沉积法的生长参数还包括：生长气压为1×10-3Pa～1Pa。
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