Die Entwicklung neuer Bauteile für die integrierte Optik erfordert in zunehmendem Maße die Herstellung von dünnen, optisch aktiven Schichten. Aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften sind die Sesquioxide interessant für ein solches Aufgabengebiet, zumal sie mit Seltenen Erden (SE) dotiert in Leuchtstoffen oder Festkörperlasern bereits im Einsatz sind.
Mit der Technik der Pulsed Laser Deposition (PLD) konnten kristalline Schichten aus Selten-Erd-dotierten Sesquioxiden (Y2O3, Lu2O3 und Sc2O3) auf (0001)-Korundsubstraten in optischer Qualität hergestellt werden.
Die Kristallstruktur dieser Schichten mit Dicken zwischen 1 nm und 500 nm wurde mittels Röntgenbeugung (XRD) und Oberflächenröntgenbeugung (SXRD) bestimmt und ein bevorzugtes Wachstum in [111]-Richtung festgestellt. Neben der korrekten Stöchiometrie lieferte die RBS-Analyse auch Hinweise auf epitaktisches Wachstum der Schichten (Channeling).
Die Oberflächenbeschaffenheit der Schichten wurde mit der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Während bei amorphen Schichten keine definierte Struktur vorliegt, zeigen die Aufnahmen von kristallinen Schichten eine dreieckige Oberflächenstruktur, die der [111]-Richtung zugeschrieben wird. Eine ähnliche Struktur wurde entlang einer {111}- Spaltfläche in einem Y2O3-Volumenristall beobachtet. Bei sehr geringen Schichtdicken (< 5 nm) ist die Substratoberfläche dagegen nicht komplett von einem Y2O3-Film bedeckt. Stattdessen wurde kristallines Inselwachstum beobachtet, wobei die Form der einzelnen Kristallite scharfkantige Strukturen mit Winkeln von 60° oder 120° aufweist, was ebenfalls ein Hinweis auf die [111]-Wachstumsrichtung in dieser frühen Phase der Filmbildung ist.
Die Emissions- und die Anregungsspektren der Eu-dotierten Schichten mit Dicken > 100 nm entsprechen denen eines Volumenkristalls. Schichten mit einer Dicke <20 nm zeigen dagegen ein stark verändertes Emissionsverhalten. Diese Veränderungen ergeben sich durch die Subplantation von hochenergetischen Teilchen aus dem Plasma, so dass es zu einem Mischsystem Al2O3–Y2O3 kommt, in dem sich dann Y3Al5O12 bildet. Desweiteren hat das an der Oberfläche beobachtete Inselwachstum auch einen erheblichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften. Denn durch ein vergrößertes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen treten oberflächenbedingte Effekte deutlich stärker hervor.
Um möglichen Anwendungen im Bereich der integrierten Optik gerecht zu werden, wurden erste Wellenleiter-Experimente am Schichtsystem Y2O3–Al2O3 durchgeführt. Dabei konnte in einer ein Mikrometer dicken Yttriumoxidschicht Single-Mode-Führung bei einer Wellenlänge von 632 nm bzw. 488 nm erzielt werden.
The development of integrated optical devices demands the fabrication of high-quality optically active thin films. This work focuses on thin sesquioxide films, which are promising because the sesquioxides are well-known hosts for rare-earth-ions, leading to luminescent materials and solid-state lasers with superior mechanical and thermal properties (e. g. low phonon energies, large thermal conductivity).
Optical quality crystalline thin films of rare-earth-doped sesquioxides (yttria, lutetia, and scandia) have been grown by the pulsed laser deposition (PLD) technique on single-crystal (0001) a-alumina substrates. Alumina substrates offer a lattice constant that matches that of cubic Y2O3 in the [111] direction very well. Using Lu2O3 and Sc2O3, the mismatch of 4.8% related to Y2O3 on alumina substrates can be considerably reduced leading to the production of films with less dislocations.
The crystal structure of these films (thicknesses from 1 nm to 500 nm) was determined by X-ray diffraction (XRD) and surface X-ray diffraction (SXRD) analysis. These measurements show that the films were textured along the [111] direction, however with a small polycrystalline component, which is negligible in thick films. Using Rutherford backscattering analysis (RBS), the correct stoichiometric composition of the films could be proved. At optimum growth conditions, epitaxial growth of Y2O3 along the [111] direction on the [0001] a-Al2O3 was experimentally verified by the observation of channelling in the RBS experiments.
The surface morphology of the thin films has been studied using atomic force microscopy (AFM). While amorphous films have no defined surface structure, crystalline films show a triangular surface morphology, which is attributed to the [111] growth direction. The same structure is observed along the {111} cleavage of an yttria bulk crystal. Thin films with a mean thickness of 5 nm have no completely covered surface, but show island growth, where the shape of the single crystallites, having angles of 60° or 120°, indicates the [111] growth direction during the early stages of film growth.
To study the optical properties of the rare-earth-doped films, spectroscopic measurements in the (vacuum-) ultraviolet and visible spectral-range have been carried out. The emission and excitation spectra of the Eu3+-doped films look similar to those of the corresponding crystalline bulk material down to a film thickness of 100 nm, i. e. the symmetry around the Eu3+-ions is preserved, whereas films with a thickness < 20 nm show a completely different emission behavior. This change can be explained by subplantation effects of high-energy plasma species hitting the substrate surface, leading to mixed compounds like Y3Al5O12. In addition, surface effects due to a large surface-to-volume ratio of the observed islands have a significant impact on the 'film' properties.
For possible applications in integrated optics, waveguide experiments have been performed in the system Y2O3–Al2O3. Single-mode guiding of the fundamental mode was demonstrated in the 1 µm thick yttria layer.