脉冲直流磁控溅射制备铒掺杂氮化镓薄膜的生长调控与光学性能优化及其在硅光子学中的应用研究

本综述系统阐述了采用脉冲直流磁控溅射（Pulsed DC Magnetron Sputtering）技术在室温下制备铒掺杂氮化镓（GaN:Er）薄膜的创新方法，通过调控溅射功率（20–100 W）、占空比（50–80%）、氮气比例（40–100%）及铒浓度（0–6.33 at.%）等参数，实现了对薄膜结晶性、光学带隙（3.40 eV）、折射率（1.7）及1540/1550 nm波段强光致发光（4I13/2→4I15/2）的精准调控，为低成本、CMOS兼容的硅基光子集成提供了新策略。

　　

Highlight

Experimental techniques

GaN:Er薄膜通过脉冲直流磁控溅射（Pulsed DC Magnetron Sputtering）技术在单面抛光p型硅(111)基底上生长。溅射靶材为3英寸镓靶（纯度99.99%），并通过在镓靶上放置特定形状的铒片（纯度99.99%）控制铒掺杂浓度。本底真空为2×10^?3 Pa，生长压力为1 Pa。Ar和N₂混合气体的总流速保持恒定……

Sputtering power

研究首先系统调整溅射功率以探究其对GaN:Er薄膜性能的影响。固定沉积参数包括70%占空比、25 sccm总气体流量（60% N₂）以及镓靶上3 cm²铒片（对应2个铒片）。这些受控条件使得在每样品一小时的沉积过程中能够分离出功率依赖性效应。XRD图谱（图1a）表征了所得薄膜的结晶性……

Conclusion

总之，通过脉冲直流磁控溅射技术在Ar/N₂气氛中采用金属镓和铒靶成功在Si(111)基底上合成GaN:Er薄膜。研究表明，薄膜性能受四个关键参数调控：溅射功率、N₂比例、占空比和铒掺杂浓度。具体而言，溅射功率和N₂比例调控镓溅射效率，进而决定纳米粒子密度……