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铒离子(Er3+)内层4f电子的发光波长位于1535nm，对应于光纤的最小吸收波长，在集成光电技术应用上引起了人们很大的兴趣。最近，人们开始广泛研究掺铒的绝缘氧化物材料，以期得到高效的发光。这些绝缘材料有很大的禁带宽度，可以有效的抑制由能量去激发所带来的Er3+发光的温度淬灭效应，同时含有足够的氧(O)原子，很高的Er固溶度，因此可以产生更多的光激活E3+来实现高效的Er的发光。近年来，氧化铪(HifO2)作为Si集成电路器件下一代高K绝缘介质材料正在被深入研究。在光电子器件应用方面，HfO2和Si接触时具有非常好的热稳定性，有利于实现与Si的光电集成；有比较低的声子能量，可以获得较低的非辐射衰减速率；折射率高，作为波导材料可以实现高约束、低损耗以及允许小的波导半径，用来制作微小波导元件。这些优点使HfO2有可能成为很好的掺Er发光基质材料，但目前尚未见系统性研究工作报道。本论文主要是研究掺Er氧化物薄膜，特别是掺Er的HfO2薄膜的发光特性和机理，以期实现Er离子在1.54um处较高强度且稳定的室温发光。主要的研究结果包括：
掺Er的HfO2薄膜实现了室温下的发光，观察到了波长为1535nm的Er3+特征发光峰以及位于1490nm和1564nm的Stark分裂峰。对其发光强度随测量温度的变化特征分析显示，这里Er离子发光的温度淬灭效应仍较明显，温度从14K升至285K过程中发光强度减小了近50倍。进一步，对样品退火温度影响研究发现，在800℃时可最大程度的减少材料中的晶格损伤和缺陷等非辐射衰减中心，同时激活Er离子，从而实现最大强度的光致发光。
系统研究了Er在HfO2薄膜中的发光机制。光致荧光激发谱(PLE)测量显示，除了对应于几个直接跃迁的发光峰外，样品在整个激发波长范围内，特别是在Er3+无法直接吸收激发能量产生辐射跃迁的激发波段都呈现出连续的发光现象，并且激发波长越短也就是激发能量越强发光强度越大。这说明该主要的发光过程是一个间接激发的过程。O空位与离子注入后取代Hf位置的Er耦合，形成某些复合中心ET。当光泵浦时基质材料吸收了激发能量后产生了大量的e—h对，这些载流子被陷阱态ET捕获后，通过非辐射再复合将能量进一步传递给Er3+，有效改善Er离子本身吸收截面小所导致的发光强度弱的问题。因此，HfO2是Er掺杂的一种很好的基质材料；在室温下成功的观察到了在1.53um波长处的阴极光荧谱(CL)，受电子束激发产生的CL谱在发光峰位和谱线形状均和PL谱非常相似，从而证明了掺Er的HfO2薄膜实现电致激发发光的可能性，为实现将来制造半导体发光器件打下基础。
同时，我们采用不同的方法制备了掺铒的Al2O3、TiO2、ZrO2以及HfTiO等氧化物薄膜材料，研究了室温发光特性，特别就室温下Er离子的发光强度以及发光峰半高宽作了对比。发光强度：Al2O3＞HfO2＞ZrO2、HfTiO＞TiO2，发光峰半高宽：Al2O3(66nm)＞HfO2(55nm)＞TiO2(44nm)＞HfTiO(37nm)＞ZrO2(27nm)。由此可见，Al2O3及HfO2薄膜材料最有利于实现Er3+的较强室温发光，而且发光峰半高宽较大，有利于实现光波导的多通道放大。