[发明专利]一种Yb和Er共掺杂的氧化镓薄膜及其制备方法

说明书

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。

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。