瑞典林雪平大学：Mn掺杂β-Ga₂O₃的红色光致发光：Mn³⁺离子的光学特征

由瑞典林雪平大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Red photoluminescence from Mn-doped β-Ga₂O₃: Optical signature of an Mn³⁺ ion?（Mn 掺杂 β-Ga₂O₃ 的红色光致发光：Mn³⁺ 离子的光学特征）的文章。

一、 背景

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体，在功率电子和紫外探测器领域具有重要应用。为了制造高频器件，需要通过掺杂来制备半绝缘（SI）的 β-Ga₂O₃ 衬底。锰（Mn）是一种常见的掺杂剂，它作为深受主，通过补偿材料中固有的浅施主（如 Si）来实现高电阻率。锰掺杂的 β-Ga₂O₃ 在光照下会发出一种特征性的红色光致发光（PL）。长期以来，这种红色发光被认为是 Mn²⁺ 离子的内部 d-d 跃迁产生的。然而，这一归属存在一个根本性的矛盾：Mn 在 Ga₂O₃ 中替代 Ga³⁺ 位，从电荷中性角度考虑，它主要应以 Mn³⁺ 的形式存在，而非 Mn²⁺。 这种红色 PL 的确切物理起源因此一直存在争议。

二、 主要内容

在锰掺杂 β-Ga₂O₃ 中常见的约 710 nm 处存在一条尖锐的荧光谱线，此前基于其特性与 Cr³⁺ 已知 ²E → ⁴A₂ 跃迁的相似性，该谱线被归因于具有 d³ 电子构型的 Mn⁴⁺ 离子的中心内跃迁。本研究通过光谱数据对该解释提出质疑，指出 710 nm 发射更可能源自高自旋 d⁴ 构型的 Mn³⁺。具体而言，温度依赖性磁致 PL 数据表明，该发射源于相关中心非简并 S＝0 激发态与 S＝2 基态之间的内部跃迁，这与 Mn⁴⁺ 的 S＝3/2 自旋状态不相容。时间分辨光致发光测量揭示出长发光寿命（约 800 μs），这是自旋禁戒的 d-d 内部跃迁特征。这些观测结果结合该中心测定的自旋哈密顿量参数，均支持 Mn³⁺ 从低能级自旋单重态激发态跃迁至高自旋 5E 基态的机制——该跃迁由局部晶场引发轨道分裂所致。另一条约 694 nm 的发射谱线强度较弱且空间分布不均，其磁学与热学行为几乎完全一致，表明该谱线源于受邻近缺陷扰动的 Mn³⁺ 离子。因此，本研究为 β-Ga₂O₃ 中此前未被记录的 Mn³⁺ 离子提供了光谱学证据。

三、 总结

研究团队证明了锰掺杂 β-Ga₂O₃ 会产生两条尖锐的发射谱线，波长分别为约 710 nm 和约 694 nm。通过结合磁光光致发光光谱与时间分辨光致发光测量，确定了主导 710 nm 发光的中心电子结构，并揭示其源于 TM 离子（可能具有 3d⁴ 电子构型）的 S＝0 激发态与 S＝2 基态之间自旋禁止的内部跃迁。可能的候选中心是位于畸变八面体 Ga(II) 位点上的 Mn³⁺ 离子，其配位数为六重。观测到基态存在约 0.15meV 的显著零场分裂，反映出低对称性晶场效应。该中心揭示的自旋特性，结合 0.12 的较高德拜-沃勒因子，使 Mn³⁺ 离子成为潜在自旋-光子发射体的理想候选者。较弱的 694 nm 谱线暂归因于同源中心，但因邻近缺陷或表面效应而产生局部扰动。本研究填补了 β-Ga₂O₃ 中过渡金属掺杂剂研究的空白，首次提供了该材料中 Mn³⁺ 离子的光谱特征。所得知识对当前利用过渡金属色心和自旋中心开展光电子学、光自旋电子学及量子信息技术应用的研究具有重要价值。

图1. (a) Mn 掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体在 7K 下测得的代表性光致发光光谱。插图为 690–700 nm 波段内 PL 发射的局部放大图。(b) 710 nm 谱线积分强度的阿伦尼乌斯图。插图展示了图中标注测量温度下 710 nm 发射的光衰减曲线。