[论文解读] Comprehensive structural and optical analysis of differently oriented Yb-implanted $β$-Ga$_2$O$_3$

Joanna Matulewicz, R. Ratajczak+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2026

Ga2O3 and related materials被引用 0

一句话总结

本研究通过 HRXRD、RBS/c、拉曼、 PL 及蒙特卡洛模拟，研究 Yb 植入如何在三种晶向下影响 β-Ga2O3 的结构与熒光响应，并将缺陷与 Yb 发光相关联。

ABSTRACT

This study presents investigations of Yb-doped $β$-Ga$_2$O$_3$, an ultrawide bandgap semiconductor with potential use in future power and optoelectronic devices operating in high-radiation environments. The research has focused on the problem of structural damage caused by the implantation of Yb-ions into three differently oriented crystals and the optical response of created systems. The (001), (010), and (-201)-oriented $β$-Ga$_2$O$_3$ crystals were implanted with three different fluences of 150 keV Yb ions and examined using a variety of experimental techniques: high-resolution X-ray diffraction (HRXRD), Rutherford backscattering spectrometry in channeling mode (RBS/c), Raman and photoluminescence (PL) spectroscopies, to provide comprehensive information about studied systems. Furthermore, the RBS/c studies were supported by Monte Carlo simulations. The results show distinctions between differently oriented crystals. In particular, (010)-oriented crystals are characterized by the lowest concentration of extended defects and the presence of compressive stress. In contrast, samples with the other two orientations exhibit tensile stress and significantly higher levels of extended defects. Interestingly, the PL spectra of (010)-oriented $β$-Ga$_2$O$_3$ show the lowest emission from Yb$^{3+}$ ions, suggesting that specific types of extended defects, whose formation is more favorable in the other two orientations than in (010), enhance Yb$^{3+}$ luminescence instead of suppressing it.

研究动机与目标

• 了解 Yb 植入在三种晶体取向（001、010、-201）下对 β-Ga2O3 的损伤机制。
• 在退火后将缺陷结构与光学响应，特别是 Yb3+ 发光相关联。
• 利用互补技术与模拟量化应变、相变及缺陷类型。
• 评估植入剂量（ 通量：1e15、1e14、1e13 离子/厘米²）对结构与光学特性的影响。

提出的方法

• 以 150 keV 的 Yb 离子对 β-Ga2O3 进行离子植入，通量分别为 1e15、1e14、1e13 离子/厘米²；倾角约 7° 以避免通道化；室温。
• 在氧气中以 800°C 快速热处理器进行 10 分钟退火。
• 使用高分辨 X 射线衍射（HRXRD）评估晶体质量与应变。
• 以通道模式的瑞利散射谱（RBS/c）分析缺陷分布与掺杂分布。
• 利用蒙特卡洛模拟（McChasy）解释 RBS/c 结果，区分简单缺陷（RDA）与扩展缺陷（DIS）。
• 辅以拉曼光谱探测声子模与晶格动力学，及光致发光（PL）研究 Yb3+ 发射与缺陷相关带。

Figure 1 : The unit cell of $\beta$ -Ga 2 O 3 created by VESTA [ 22 ] .

实验结果

研究问题

• RQ1 植入取向（001、010、-201）如何影响 Yb 植入的 β-Ga2O3 的缺陷形成与应变？
• RQ2 在各取向中，辐射诱导的相变（β 到 γ，相变为非晶态）与植入通量之间的关系？
• RQ3 退火后 Yb3+ 发光如何依赖晶体取向与缺陷分布？
• RQ4 蒙特卡洛通道化模拟（McChasy）能否解释 RBS/c 观测到的取向相关缺陷分布？
• RQ5 如位错或弯曲通道缺陷等扩展缺陷在增强或淬灭 Yb 相关发光方面的作用？

主要发现

• (010) 取向晶体在 Yb 植入后显示最低的扩展缺陷浓度与压缩应变。
• (001) 与 (-201) 取向晶体相比，显示出拉伸应变并具有较高的扩展缺陷水平。
• 在某些通量下，γ-Ga2O3 相在植入区形成，1e14 离子/厘米² 时γ相完全显现，1e15 离子/厘米² 时部分存在；退火在某些情况下降低 γ 相。
• 在最高通量（1e15 离子/厘米²）下，部分非晶化开始，某些取向的晶格质量下降；退火通过促进部分重结晶可能改变这些趋势。
• PL 显示强烈的 Yb3+ 发射（980 nm）及一个宽的原生缺陷相关带（3.8–2 eV），其强度与缺陷激发呈负相关；(001) 与 (-201) 的 Yb3+ 发光高于 (010)。
• RBS/c 在由 McChasy 支持的分析中，显示在各取向中简单缺陷（RDA）分布相似，但 (010) 由于弯曲通道缺陷较少，去导通（DIS）较低。
• 结果提示位错或弯曲通道缺陷可能通过捕获掺杂物或稳定能量转移来增强 Yb3+ 发光。

Figure 2 : HRXRD 2 $\theta$ scans of (-201)-oriented $\beta$ -Ga 2 O 3 crystal (a) implanted with Yb ions with different fluences and (b) implanted with Yb with fluence of $1\cdot 10^{15}$ ions/cm 2 and annealed in oxygen at 800°C for 10 minutes.