Elaboration and characterisations of rare earth doped gallium oxide films
Elaboration et caractérisations de films d'oxyde de gallium dopés terres rares
Résumé
Among transparent conductive oxides, gallium oxide is of particular interest because of its singular
wide band gap (around 4.9 eV) which makes it optically transparent from infrared until ultraviolet light. Gallium
oxide Ga2O3 is also a good host matrix to exhibit the luminescence of rare earth ions. Neodymium and then
europium doped gallium oxide thin films have been deposited on silicon and sapphire substrates by
radiofrequency magnetron sputtering and submitted to an appropriate thermal treatment in order to obtain the
stable monoclinic b-phase. Transparent properties have been demonstrated. Neodymium doped films have
shown an efficient luminescence activity at ~900 nm and ~1070 nm, corresponding to the 4F3/2 4I9/2 and
4F3/2 4I11/2 transitions of the Nd3+ ions, respectively. Europium doped films have exhibited a luminescence
activity in the visible spectral range, the most intense emission being at about 615 nm, corresponding to the
5D0 7F2 transition of the Eu3+ ions. The dependence of the neodymium and europium contents in the films on
the structural and photoluminescence properties have been studied. Moreover, the optical mechanisms involved
have been investigated in the neodymium as well as in the europium doped films. Ga2O3 films doped with the
suitable rare earths could be used to fabricate optoelectronics devices such as white light emitting diodes (LED).
Parmi les oxydes transparents conducteurs (Transparent Conductive Oxide ; TCO), l’oxyde de gallium
Ga2O3 possède une large bande interdite (environ 4,9 eV) ce qui en fait un matériau transparent dans un domaine
spectral allant de l’infra-rouge à l’ultraviolet. Ga2O3 apparaît donc comme une matrice hôte appropriée pour
mettre en évidence la luminescence d’ions terres rares. Des films d’oxyde de gallium dopés au néodyme, puis à
l’europium ont été déposés sur des substrats de silicium et de saphir par pulvérisation magnétron radiofréquence.
Ces films ont ensuite subi un traitement thermique approprié afin d’obtenir la phase -monoclinique. Les
caractérisations optiques ont prouvé que les films sont bien transparents. En outre, les films dopés au néodyme
émettent autour de 900 nm et 1070 nm, ce qui correspond aux transitions 4F3/2 4I9/2 et 4F3/2 4I11/2 des ions
Nd3+. Les films dopés à l’europium luminescent quant à eux dans le domaine du visible, l’émission la plus
intense se situant autour de 615 nm, ce qui correspond à la transition 5D0 7F2 des ions Eu3+. Les propriétés
structurales et de photoluminescence des films ont été étudiés en fonction de la quantité de terre rare introduite
dans la matrice. De plus, les mécanismes optiques impliqués dans les phénomènes d’excitation-émission de la
luminescence ont été exposés. Les films d’oxyde de gallium dopés avec des terres rares appropriées pourraient
être intégrés dans des dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes blanches.
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