Luminescence of Cr-doped β-Ga2O3 thin films

О.М. Бордун; Б.О. Бордун; І.Й. Кухарський; Д.М. Максимчук; І.І. Медвідь

doi:10.15330/pcss.24.3.490-494

Автор(и)

О.М. Бордун Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Б.О. Бордун Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
І.Й. Кухарський Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Д.М. Максимчук Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
І.І. Медвідь Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.490-494

Ключові слова:

оксид галію, активатор, тонка плівка, фотолюмінесценція, катодолюмінесценція

Анотація

Наведено результати досліджень спектрів оптичного збудження та свічення фотолюмінесценції (ФЛ) і катодолюмінесценції (КЛ) в тонких плівках β-Ga₂O₃, легованих хромом. У спектрах збудження спостерігаються широкі смуги, зумовлені генерацією електронно-діркових пар та переходами з основного рівня ⁴А₂ на збуджені стани ⁴Т₁ та ⁴Т₂ в іонах Cr³⁺. На спектрах люмінесценції на фоні широкої безструктурної смуги з максимумом в околі 700 нм, зумовлені переходами ⁴Т₂ – ⁴А₂ в іонах Cr³⁺, спостерігаються R-лінії та фононні повторення R-ліній. Проведено визначення сили кристалічного поля Dq та інтерпретацію стокових та антистоксових повторень R-ліній.

Посилання

Z. Galazka, S. Ganschow, A. Fiedler, R. Bertram, D. Klimm, K. Irmscher, R. Schewski, M. Pietsch, M. Albrecht and M. Bickermann, Doping of Czochralski-grown bulk β-Ga2O3 single crystals with Cr, Ce and Al, J. Cryst. Growth 486, 82 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.01.022.

V. Vasyltsiv, A. Luchechko, Y. Zhydachevskyy, L. Kostyk, R. Lys, D. Slobodzyan, R. Jakieła, B. Pavlyk and A. Suchocki, Correlation between electrical conductivity and luminescence properties in β-Ga2O3:Cr3+ and β-Ga2O3:Cr,Mg single crystals, J. Vacuum Science & Technol. A., 39 (3), 033201 (2021); https://doi.org/10.1116/6.0000859.

C. Remple, L. M. Barmore, J. Jesenovec, J. S. McCloy, and M. D. McCluskey, Photoluminescence spectroscopy of Cr3+ in β-Ga2O3 and (Al0.1Ga0.9)2O3, J. Vac. Sci. Technol. A 41, 022702 (2023); https://doi.org/10.1116/6.0002340.

E. Nogales, J. A. García, B. Méndez and J. Piqueras, Red luminescence of Cr in β‐Ga2O3 nanowires, J. Appl. Phys. 101 (3), 033517 (2007); https://doi.org/10.1063/1.2434834.

O.M. Bordun, B.O. Bordun, I.Yo. Kukharskyy and I.I. Medvid, X-Ray Luminescence of β-Ga2O3 Thin Films, J. Appl. Spectrosc. 86 (6), 1010 (2020); https://doi.org/10.1007/s10812-020-00932-4.

M. Xu, W. Ge, X. Zhang, P. Zhang and Y. Li, Novel one-dimensional Ga2O3:Cr3+ nanofibers with broadband emission for near infrared LED sources, J. of Luminescence 246, 118831 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.118831.

J. H. Cha, K. H. Kim, Y. S. Park, S. J. Kwon and H. W. Choi, Luminescence Characteristics of ZnGa2O4 Thick Film Doped with Mn2+ and Cr3+ at Various Sintering Temperatures, Jpn. J. Appl. Phys. 46 (10R), 6702 (2007); https://doi.org/10.1143/JJAP.46.6702.

R.D. Shannon and C.T. Prewitt, Effective Ionic Radii in Oxides and Fluorides, Acta Cryst. B25 (5), 925 (1969); https://doi.org/10.1107/S0567740869003220.

K. Wasa, M. Kitabatake and H. Adachi, Thin Film Materials Technology. Sputtering of Compound Materials. (William Andrew Inc., Springer-Verlag GmbH & Co. KG, 2004).

O.M. Bordun, B.O. Bordun, I.J. Kukharskyy, I.I. Medvid, Zh. Ya. Tsapovska and D. S. Leonov, Structure and Electrical Conductivity of the Thin β-Ga2O3 Films, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 15 (2), 299 (2017).

O.M. Bordun, I.Yo. Kukharskyy, I.I. Medvid, D.M. Maksymchuk, F.O. Ivashchyshyn, D. Całus, and D.S. Leonov, Electrical Conductivity of Pure and Cr3+-Doped β-Ga2O3 Thin Films, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 20 (2), 321 (2022); https://doi.org/10.15407/nnn.20.02.321.

K. Shimamura, E.G. Villora, T. Ujiie and K. Aoki, Excitation and photoluminescence of pure and Si-doped β-Ga2O3-Ga2O3 single crystals, Appl. Phys. Lett. 92 (20), 201914 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2910768.

P. Wellenius, A. Suresh, J.V. Foreman, H.O. Everitt and J.F. Muth, Mater. Sci. Eng. B 146, 252 (2008); https://doi.org/10.1016/j.mseb.2007.07.060.

O.M. Bordun, B.O. Bordun, I.Yo. Kukharskyy and I.I. Medvid, Photoluminescence Properties of β-Ga2O3 Thin Films Produced by Ion-Plasma Sputtering, J. Appl. Spectrosc. 84 (1), 46 (2017); https://doi.org/10.1007/s10812-017-0425-3.

J.-G. Zhao, Z.-X. Zhang, Z.-W. Ma, H.-G. Duan, X.-S. Guo and E.-Q. Xie, Structural and Photoluminescence Properties of β-Ga2O3 Nanofibres Fabricated by Electrospinning Method, Chinese Phys. Lett. 25 (10), 3787 (2008); https://doi.org/10.1088/0256-307X/25/10/073.

M. Passlack, M. Hong, E.F. Schubert, J.R. Kwo, J.P. Mannaerts, S.N.G. Chu, N. Moriya and F.A. Thiel, In situ fabricated Ga2O3–GaAs structures with low interface recombination velocity, Appl. Phys. Lett. 66 (5), 625 (1995); https://doi.org/10.1063/1.114034.

R. Rao, A.M. Rao, B.Xu, J. Dong, S. Sharma and M.K. Sunkara, Blueshifted Raman scattering and its correlation with the [110] growth direction in gallium oxide nanowires, J. Appl. Phys. 98 (9), 094312 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2128044.

D.T. Svyrydov, R.K. Svyrydova, Y.P. Smyrnov, Optical spectra of transition metal ions in crystals, Nauka, (1976).

O. M. Bordun, V. G. Bihday and I. Yo. Kukharskyy, Photo- and Cathodoluminescence of ZnGa2O4:Cr Thin Films, J. Appl. Spectrosc. 81 (1), 43 (2014); https://doi.org/10.1007/s10812-014-9884-y.

N.O. Gopal, K.V. Narasimhulu, C.S. Sunandana, J. Lakshmana Rao, EPR and optical absorption spectral studies of Cr3+ ions doped in nickel maleate tetrahydrate single crystal, Physica B:Cond. Matter 348 (1–4), 335 (2004); https://doi.org/10.1016/j.physb.2003.12.008.

J.G. Zhang, B. Li, C.T. Xia, J. Xu, Q. Deng, X.D. Xu, F. Wu, W.S. Xu, H.S. Shi, G. Q. Pei and Y.Q. Wu, Sci. China Ser. E-Tech. Sci. 50 (1), 51 (2007); https://doi.org/10.1007/s11431-007-2026-5.

Y. Tokida and S. Adachi, Photoluminescence spectroscopy and energy-level analysis of metal-organic-deposited Ga2O3:Cr3+ films, J. Appl. Phys. 112 (6), 063522 (2012); https://doi.org/10.1063/1.4754517.

A. Luchechko, V. Vasyltsiv, L. Kostyk, O. V. Tsvetkova and B. V. Pavlyk, Luminescence OF β-Ga2O3 crystals doped with chromium, J. Phys. Stud. 23 (3), 3301 (2019); https://doi.org/10.30970/jps.23.3301.

D. Dohy and G. Lucazeau, Valence force field and raman spectra of β Ga2O3, J. Mol. Struct. 79, 419 (1982); https://doi.org/10.1016/0022-2860(82)85094-1.

O.M. Bordun, B.O. Bordun, I.I. Medvid, I.Yo. Kukharskyy, V.V. Ptashnyk, M.V. Partyka, Structure and Vibrational Spectra of thin Films β-Ga2O3, 17 (4), 515 (2016); https://doi.org/10.15330/pcss.17.4.515-519.

M. Alonso-Orts, E. Nogales, J. M. San Juan, M. L. Nó, J. Piqueras and B. Mendez, Modal Analysis of β−Ga2O3:Cr Widely Tunable Luminescent Optical Microcavities, Phys. Rev. Appl. 9, 064004 (2018); https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.064004.

G. Naresh-Kumar, H. Macintyre, S. Shanthi, P. R. Edwards, R.W. Martin, D. Krishnamurthy, K. Sasaki and A. Kuramata, Origin of Red Emission in β-Ga2O3 Analyzed by Cathodoluminescence and Photoluminescence Spectroscopy, Phys. Status Solidi (b) 258 (2), 2000465 (2021); https://doi.org/10.1002/pssb.202000465.