Herstellung und optische Charakterisierung von Lanthanoid-dotierten (SiC)1-x(AlN)x-Schichten

Seltene Erden bzw. Lanthanoide erlangten durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften in
den vergangenen Jahrzehnten eine große Bedeutung. Aufgrund der großen Anzahl von
ungepaarten 4f-Elektronen gehören einige Lanthanoide zu den Elementen mit den größten
magnetischen Momenten. Lange Zeit waren daher Permanentmagnete die wichtigste
Anwendung der Lanthanoide. Der Einsatz von Europium als Leuchtstoff in den
Bildschirmen war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung des Farbfernsehens.
Heutzutage finden Lanthanoide in der Optoelektronik größtes Interesse. Lanthanoiddotierte
Glasfasern spielen eine große Rolle in der Telekommunikation, weil der Übergang
des Er3+ bei 1,54 µm gut mit dem Minimum im Verlustspektrum von Glasfasern
übereinstimmt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Lanthanoide finden sich in
Festkörperlasern, Halbleiterlasern, lichtemittierenden Dioden (LEDs), in der optischen
Datenspeicherung und Displaytechnologie.
Die chemische Ausnahmestellung der Lanthanoide wird dadurch verursacht, dass die
teilweise gefüllte 4f-Schale durch die äußeren voll besetzten Schalen (5s2 und 5p6)
abgeschirmt wird. Lanthanoid-Ionen, die als Dotierstoffe in einen Wirtshalbleiter
eingebettet sind, zeigen strahlende Übergänge zwischen den Energieniveaus der 4f-Schale,
die aufgrund dieser Abschirmung von der chemischen Umgebung weitgehend
unabhängig sind. Das emittierte Spektrum weist bei für das jeweilige Lanthanoid-Ion
charakteristischen Wellenlängen einige ausgeprägte, sehr schmale Lumineszenzpeaks auf,
die eine Halbwertsbreite von wenigen Nanometern besitzen.
Nicht alle möglichen Übergänge der Lanthanoid-Ionen sind tatsächlich optisch aktiv. Die
Mechanismen, die zur Anregung und strahlenden Emission bei Lanthanoid-Ionen führen,
werden dabei von Details des Wirtshalbleiters beeinflusst, wie dessen Struktur und der
optischen Bandlücke. Beispielsweise erscheinen mit steigendem Aluminiumanteil x in
AlxGa1-xN:Tm3+ neue Lumineszenzpeaks, die in GaN:Tm3+ nicht vorhanden sind. Nur
Halbleiter mit hinreichend großer Bandlücke ermöglichen den Lanthanoid-Ionen eine
Lumineszenz im gesamten sichtbaren Bereich mit den Farben rot (Eu3+), gelb (Dy3+), grün
(Tb3+) und blau (Tm3+) bis hinein in den ultravioletten Bereich. Außerdem führt der
Einsatz von Halbleitern großer Bandlücke als Wirtsmaterial zu einer geringeren
thermischen Unterdrückung (engl. Quenching) der optischen Aktivität der Lanthanoid-
Ionen beispielsweise bei Raumtemperatur.
In der vorliegenden Arbeit werden die Halbleiter großer Bandlücke Siliziumkarbid (SiC)
und Aluminiumnitrid (AlN) sowie deren Mischsystem als Wirtsmaterial der Lanthanoide verwendet.
Es werden dünne, amorphe Filme durch Magnetronsputtern hergestellt.
Dies ist eine vergleichsweise einfache und günstige Herstellungsmethode. Amorphe Filme
erlauben zudem die Einbringung von Lanthanoiden in Konzentrationen von ein bis zwei
Atomprozent ohne ein Konzentrationsquenching der optischen Aktivität.
Die pseudobinäre Verbindung a-(SiC)1-x(AlN)x ermöglicht eine Optimierung der optischen
Emission der Lanthanoid-Ionen durch Bandlückenvariation, das sogenannte Bandgap- Engineering
das heißt durch das Einstellen der Bandlücke in Abhängigkeit der Zusammensetzung x.
Amorphe mit den Lanthanoiden Terbium, Europium und Dysprosium dotierte
(SiC)1-x(AlN)x-Filme wurden im Rahmen dieser Arbeit einem thermischen Ausheilverfahren und
Kathodolumineszenzmessungen unterworfen. Das thermische Ausheilen führt zur optischen
Aktivierung der Lanthanoid-Ionen verbunden mit einem Anstieg der
Lumineszenzintensität über mehrere Größenordnungen.