Er<sup>3+</sup>掺杂AlScN薄膜发光及铁电性能的协同调控

李丹; 刘明睿; 王帅; 贾玉萍; 臧行; 孙蕊; 张山丽; 孙晓娟; 黎大兵

doi:10.37188/CJL.20250023

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Er³⁺掺杂AlScN薄膜发光及铁电性能的协同调控

材料合成及性能 | 更新时间：2026-01-27

- Er³⁺掺杂AlScN薄膜发光及铁电性能的协同调控
  增强出版
- Synergistic Regulation of Luminescent and Ferroelectric Properties of Er³⁺-doped AlScN Films
- 发光学报 2025年46卷第6期页码：1048-1056
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，特种发光科学与技术全国重点实验室，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京 100049
- 作者简介：
  
  [ "李丹（2001-），女，吉林长春人，硕士研究生，2022年于长春理工大学获得学士学位，主要从事AlScN铁电材料生长及性能调控的研究。E-mail： lidan221@mails.ucas.ac.cn" ]
  [ "刘明睿（1993-），女，吉林省吉林市人，博士，副研究员，2021年于北京师范大学获得博士学位，主要从事AlScN铁电材料的性能调控及器件设计的研究。E-mail： liumingrui@ciomp.ac.cn" ]
  [ "张山丽（1981-），女，山东日照人，硕士，助理研究员，2010 年于长春理工大学获得硕士学位，主要从事氮化物材料 MOCVD 外延的研究。E-mail： zhangshanli@ciomp. ac. cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2021YFA0715600);国家自然科学基金(12204475)
- DOI：10.37188/CJL.20250023
  中图分类号： O482.31
- CSTR：32170.14.CJL.20250023
- 收稿：2025-01-31，
  
  修回：2025-02-19，
  
  纸质出版：2025-06-25
- 稿件说明：
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李丹,刘明睿,王帅等.Er³⁺掺杂AlScN薄膜发光及铁电性能的协同调控[J].发光学报,2025,46(06):1048-1056.

LI Dan,LIU Mingrui,WANG Shuai,et al.Synergistic Regulation of Luminescent and Ferroelectric Properties of Er³⁺-doped AlScN Films[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(06):1048-1056.
李丹,刘明睿,王帅等.Er³⁺掺杂AlScN薄膜发光及铁电性能的协同调控[J].发光学报,2025,46(06):1048-1056. DOI： 10.37188/CJL.20250023. CSTR： 32170.14.CJL.20250023.

LI Dan,LIU Mingrui,WANG Shuai,et al.Synergistic Regulation of Luminescent and Ferroelectric Properties of Er³⁺-doped AlScN Films[J].Chinese Journal of Luminescence,2025,46(06):1048-1056. DOI： 10.37188/CJL.20250023. CSTR： 32170.14.CJL.20250023.

摘要

稀土离子具有丰富的发光能级，将其作为发光中心掺杂到铁电材料中，利用铁电极化可以实现对稀土离子发光波长及强度的动态调控，将大幅提升半导体光电子器件的性能。AlScN以其强剩余极化、宽禁带特性以及与CMOS工艺的高兼容性，为构建铁电多功能调控的新型发光器件提供了新的机遇。本文研究了Er

掺杂对AlScN薄膜发光以及铁电特性的影响，掺杂浓度的提升增加了发光中心的数量，在3.6%~9.4%的浓度范围内表现为Er

发光峰强度增加，但超过10%的浓度引起的猝灭效应会导致发光减弱。Er

掺杂使得AlScN性能有轻微的退化，但在9.4%的浓度下仍能保持80 μC/cm

以上的剩余极化，展现了发光与强铁电性能并存的特性，为这一铁电材料实现多功能、高集成的新型发光器件设计奠定了基础。

Abstract

lanthanide ions have abundant luminescent energy levels， with their luminescence intensity and wavelength affected by the lattice symmetry. The regulation of luminescence properties

via

controllable lattice fields can b

e realized by altering electric fields and stress. Ferroelectric material has non-volatile spontaneous polarization， and its direction can be reversed or reoriented by electric fields. Doping lanthanide ions as luminescence centers into ferroelectric materials and utilizing the ferroelectric polarization field for dynamic regulation of lanthanide ions’ luminescence wavelength and intensity can significantly improve the performance of semiconductor optoelectronic devices. AlScN， with its dynamically tunable high remanent polarization， large bandgap， and high compatibility with CMOS processes， offers new opportunities for constructing novel luminescent devices with multifunctional ferroelectric regulation. This paper investigated the effects of Er

doping concentrations on the luminescence and ferroelectric properties of AlScN films. The Er

doping concentration rises， and more luminescence centers are incorporated， effectively enhancing the luminescence potential. Notably， a marked increase in luminescence of Er

-doped AlScN films was achieved at doping concentrations of 3.6% to 9.4%. However， when the doping concentration exceeded 10%， a quenching effect led to the decrease of luminescence， highlighting the importance of precisely controlling the doping limit for optimal performance. Although the increase in Er³⁺ doping concentration slightly degraded the performance of AlScN， the remanent polarization remained above 80 μC/cm² at a concentration of 9.4%， demonstrating the coexistence of luminescence and robust ferroelectric performance in Er

-doped AlScN films. This research fills the gap regarding lanthanide ions-doped AlScN films， laying a solid foundation for the development of highly integrated， multifunctional luminescent devices and potentially catalyzing innovation in the optoelectronic domain.

关键词

Keywords

references

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Synergistic Regulation of Luminescent and Ferroelectric Properties of Er3+-doped AlScN Films

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