Optical study of rare earth ion and transition metal impurities in nitrides

Mishra, Jayanta Kumar

Europium (Eu) und andere Ionen der seltenen Erden sowie einige Übergangsmetalle wurden in Stickstoff-basierten Halbleitern implantiert und mittels Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Es wurde dabei festgestellt, dass Eu die effizienteste Lichtemission zeigt. Die Eu-Ionen wurden in verschiedenen Materialien (undotiertes GaN, Mg-dotiertes GaN, undotiertes AlGaN, Mg-dotiertes AlGaN, AlN) implantiert. Wir schlagen eine neue Methode zur Unterscheidung der optisch aktiven Eu-Zentren in Mg-dotiertem GaN vor. Dabei wurden zwei verschiedene Arten von optisch aktiven Eu-Zentren in Mg-dotiertem GaN:Eu und nur ein Zentrum in undotiertem GaN identifiziert. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass noch andere optische Zentren in Mg-dotiertem GaN:Eu vorhanden sind. Der Anregungsmechanismus dieser Eu-Zentren wurde durch ein Donator-Akzeptor-Paar-unterstütztes resonantes Übergangsmodell formuliert. In diesem Modell werden die Eu-Ionen durch einen resonanten Energieübertrag über einen elektronischen DAP-Übergang angeregt, wobei der Paarabstand des DAP für eine Übereinstimmung der DAP-Übergangsenergie mit der Anregungsenergie des Europiums einen bestimmten Wert haben muss. Bei Anregung oberhalb der Bandlücke wird die Charakteristik des Energieübertragsprozesses durch die Anordnung zufällig verteilter ununterscheidbarer neutraler Donatoren und Akzeptoren in der Umgebung des Eu-Ions dominiert. Über temperaturabhängige Photolumineszenzmessungen bei Anregung oberhalb der Bandlücke werden zwei Aktivierungsenergien (106 meV und 0,6 meV) für einen Typ des Eu-Zentrums abgeleitet. Bei Anregung unterhalb der Bandlücke wird kein Energierückübertrag bei höheren Temperaturen beobachtet: die Lumineszenzeffizienz bleibt konstant. Überraschenderweise wurde beobachtet, dass die Abklingzeiten der Eu3+-Lumineszenz bei allen Temperaturen weitestgehend gleich bleiben, was eine rein strahlende Rekombination bestätigt. Eine deutliche Erhöhung der Eu3+-Lumineszenz in Eu-implantiertem GaN wurde durch eine Kodotierung mit Silicium (Si) und Magnesium (Mg) erreicht. Es wurde herausgefunden, dass die Eu3+-Intensität im spektralen Bereich des 5D0 zu 7F2 Übergangs dreißigfach höher als bei Eu-implantiertem undotierten GaN ist. Der größte Beitrag zu dieser Gesamterhöhung liefert dabei eine Spektrallinie, die nur in Mg-dotiertem GaN bei 2,0031 eV (618,9 nm) vorhanden ist, welche sehr stark durch die Kodotierung durch Mg und Si erhöht wird. Außerdem ist die Eu3+-Intensität sogar noch höher in Eu-implantiertem AlGaN. Die Eu3+-Lumineszenz wurde für verschiedene Al-Konzentrationen bei verschiedener Dotierung (Mg und Si) untersucht. Es wurde eine Rotverschiebung der Spektrallinien von GaN zu AlN als Folge der Veränderung des Kristallfelds beobachtet.

Europium (Eu) and other rare earth ions along with some transition metals doped in nitride semiconductors have been investigated by photoluminescence measurement. Eu has been found to be the most efficient light emitting dopants. Eu was implanted on several host materials (undoped GaN, Mg-doped GaN, u-AlGaN, Mg-doped AlGaN, AlN). We propose a new method to distinguish optically active centers of Eu in Eu-implanted Mg-doped GaN. Two different types of optically active Eu centers in Mg-doped GaN:Eu and one types of center in undoped GaN:Eu have been identified. Several more optical centers in Mg-doped GaN:Eu can not be ruled out. The excitation mechanism of these Eu centers based on rate equations was formulated by a donor-acceptor pair (DAP) resonant energy transfer model where europium ions are excited by those donor-acceptor pairs located from a certain distance to match one of its excited energy levels with the DAP transition energy. For above band gap excitation the formation of randomly distributed indistinguishable neutral donors and acceptors around the europium ions dominates the characteristics of the energy transfer process. From the temperature-dependent photoluminescence measurements by above band gap excitation two activation energies (106 meV and 0.6 meV) for one type of Eu center is derived. Under below band gap excitation no nonradiative energy back transfer has been observed at higher temperatures as the luminescence efficiency remains constant. Surprisingly the PL lifetime of Eu3+ spectra is found to be approximately the same at all temperatures, which further confirms the purely radiative recombination. A strong enhancement of Eu3+ luminescence in europium-implanted GaN samples is obtained by codoping with silicon (Si) and magnesium (Mg) simultaneously. The Eu3+ intensity in the 5D0 to 7F2 transition region is found to be thirty times higher compared to europium-implanted undoped GaN. The major contribution to this overall enhancement is due to a weak peak present only in europium-implanted Mg-doped GaN at 2.0031 eV (618.9 nm) which is strongly enhanced by codoping both Mg and Si. This is a consequence of increase in donor concentrations. Moreover, the Eu3+ luminescence even higher in Eu-impalnted AlGaN alloys. Eu3+ luminescence has been studied for different Al compositions with different doping (Mg and Si). The peak positions in GaN to AlN have been found to be red shifted as a consequence of a change in the crystal field.

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Mishra, Jayanta Kumar: Optical study of rare earth ion and transition metal impurities in nitrides. 2013.

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