Lanthanide Doped Wide Band Gap Semiconductors: Intra-4f Luminescence and Lattice Location Studies

Abstract

Das Dotieren von Halbleitern mit Lanthaniden ist ein vielversprechender Weg zur Realisisierung von Lichtemittern, deren Lumineszenz von strahlenden Elektronenübergängen innerhalb der 4f-Schale der dreifach ionisierten Lanthanide herrührt. Während in der Vergangenheit der Schwerpunkt auf Halbleitern mit verhältnismäßig kleinen Bandlücken lag, was die Implementierung von infraroten und sichtbaren Lichtemittern erlaubte, erweitert die Verwendung von Halbleitern mit großer Bandlücke die Anwendungen potenziell um ultraviolette Lichtquellen.Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dabei auf den Halbleitern mit der jeweils größten momentan bekannten Bandlücke ihrer jeweiligen Gruppe. Diese werden repäsentiert durch Aluminiumnitrid und kubisches Bornitrid im Falle der III-V Nitridhalbleiter, sowie Diamant und 6H-Siliziumkarbid im Falle der IV-IV Karbidhalbleiter. Die Methode der Wahl zur Dotierung war hierbei die Ionenimplantation, bevorzugt mit niedrigen Ionendosen, dabei den Implantationsschaden so gering wie möglich haltend. Dies stellte darüber hinaus sicher, daß die Lanthanide Verunreinigungen darstellen, die weder die Eigenschaften des Wirts noch sich selbst gegenseitig wesentlich beeinflussen. Um die Lumineszenzeigenschaften der dreifach ionisierten Lanthanide zu verstehen, wird eine komprimierte Darstellung der theoretischen Grundlagen gegeben. Die dreifach ionisierten Lanthanide werden entsprechend ihrer Energieniveauschemata und Übergangswahrscheinlichkeiten klassifiziert, der Schwerpunkt liegt hierbei auf Eu3+, Tm3+ und Gd3+, die als Lumineszenzsonden in dieser Arbeit Verwendung finden. Experimente, die die Methode des Emissionschanneling zur Gitterplatzbestimmung der Lanthanide in 2H-AlN, c-BN, Diamand sowie 3C-, 4H-, und 6H-SiC anwenden, wurden mit dem Schwerpunkt auf neuen radioaktiven Sondenisotopen durchgeführt. Die Kathodolumineszenzeigenschaften von Thulium- und Europium-imlantiertem AlN, c-BN, Diamant und 6H-SiC wurden untersucht, ergänzt durch Untersuchungen von Gadolinium in AlN. Des Weiteren wurden die wichtigsten Intra-4f Übergänge von Eu3+, Tm3+ und Gd3+ mittels zeitaufgelöster Kathodolumineszenzspektroskopie untersucht. Jene Systeme, die sich für eine Kristallfelduntersuchung eignen, wurden identifiziert. Diese Analyse wurde durchgeführt auf der Basis von hochauflösenden Starkniveauspektren, um die Symmetrie der Ligandenkonfiguration um die Ionen im Halbleiterwirtsgitter zu bestimmen. Zusätzlich werden die Intensitäten einiger ausgewählter Intra-4f Übergänge besprochen.