Electron paramagnetic resonance of Er3+ ions in aluminum nitride

Abstract

An electron paramagnetic resonance (EPR) spectrum from Er3+ ions has been observed in a bulk single crystal of aluminum nitride (AlN). These Er3+ ions were introduced into the crystal during growth and had a concentration of approximately 2×1016 cm−3. The Er3+ EPR signal, monitored at 4.5 K, exhibits axial symmetry (the unique axis is parallel to the c axis in this wurtzite lattice) and shows well-resolved hyperfine splittings due to E167r nuclei. An absence of site splittings in the EPR angular dependence indicates that these erbium ions, replacing aluminum ions in the AlN crystal, have no nearby defects. Principal values for the g and hyperfine matrices are g∥=4.337, g⊥=7.647, |A∥|=454 MHz, and |A⊥|=796 MHz. Forbidden transitions, appearing in the low-field portion of the hyperfine spectrum when the magnetic field is rotated a few degrees away from the c axis, give |P|=7.8 MHz for the nuclear electric quadrupole parameter.

Deep‐UV transparent bulk single‐crystalline AlN substrates

“…6.1 eV allows for novel UV and deep-UV semiconductor optoelectronics. However, even in nominally pure AlN substrates significant optical absorption at photon energies below the band-gap of AlN is generally observed [1][2][3][4]. The resulting low transparency especially in the deep-UV wavelength range (210-300 nm, i.e., photon energies of 4.1-5.9 eV) has been identified as a potential obstacle regarding the development and application of AlN substrates in deep-UV optoelectronics and sensors in which the light is coupled out (or in, respectively) through the substrate.…”

Спектры оптического поглощения и схема уровней энергии ионов Er-=SUP=-3+-=/SUP=- в объемных кристаллах нитрида алюминия

“…Наиболее вероятным представляется нахождение иона Er 3+ в позиции Al 3+ . В пользу этого свидетельству-ют и результаты исследования ЭПР в монокристаллах, выращенных сублимацией [5]. В этой работе установ-лена аксиальная симметрия примесных центров, что строго указывает на то, что ионы Er 3+ занимают толь-ко одну кристаллографическую позицию, отражающую симметрию решетки.…”

“…Одним из таких перспективных материалов являет-ся AlN : Er 3+ (ширина запрещенной зоны E g ≈ 6.1 eV). В литературе представлены результаты исследований фотолюминесценции образцов AlN : Er 3+ в виде тон-ких пленок [1], поликристаллических керамик [2], в аморфном состоянии [3], катодолюминесценции моно-кристаллов 2H-AlN : Er 3+ [4], а также спектры ЭПР объемных монокристаллов AlN : Er 3+ [5]. Спектры оп-тического поглощения кристаллов AlN с примесью Er 3+ не были исследованы, по всей вероятности, из-за сложностей с внедрением в материал примеси в достаточно высокой концентрации.…”

Investigations of the spin-Hamiltonian parameters for Er3+ions in AlN crystal

“…and hyperfine structure constants A // , A ? ) were given [10]. Er 3þ ion in AlN crystal occupies the trigonal Al 3þ site, its ground multiplet 4 I 15/2 should be split by the trigonal crystal field into eight Kramers doublets.…”

“…Since the luminescence temperature quenching of Er 3þ -doped semiconductors strongly depends on the band gap of the host material and the III-nitride semiconductors (e.g. GaN, AlN) have wide band gap [3], the Er 3þ -doped III-nitride semiconductors have attracted considerable attention, and various spectroscopic studies have been made of these materials [6][7][8][9][10]. Recently, the electron paramagnetic resonance (EPR) spectra of Er 3þ -doped AlN crystal was measured and its spin-Hamiltonian (SH) parameters (g factor g // , g ?…”