A detailed study on bismuth containing III-V semiconductor materials grown on different orientations

Abstract

GaAsBi kuantum kuyusu yapıları III-V grubu bileşik yarıiletkenlerdir ve benzersiz özelliklerinden dolayı gelişmekte olan malzemeler olarak adlandırılırlar. III–V grup malzemelere seyreltik oranda ilave edilen Bi atomları, III-V grubu (ev sahibi) malzemenin bant aralığı enerjisinde azalma ve valans bant ayrışma enerjisinde (split off) artmaya neden olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, bu yapılar orta kızılötesi (Mid-IR) bölgede çalışan optoelektronik aygıtlarda kullanılacak umut verici bir aday olarak kabul edilir. Bu çalışmada, (100) ve (311) B GaAs alttaş üzerine Katı Kaynaklı-Moleküler Işın Epitaksi yöntemiyle büyütülmüş nominal olarak x =% 1,% 2 ve %3 oranında Bizmut içeren GaAsBi/GaAs tek kuantum kuyu yapılar çalışılmıştır. Farklı yönelimlerinde büyütülmüş GaAs(1-x)Bix/GaAs tek kuantum kuyu yapıların yapısal ve optik özellikleri X-ışını kırınımı (XRD), Fourier-Transform (FT-Raman) Raman ve Fotoışıma (FI) spektroskopi tekniği ile detaylı olarak incelenmiştir. FT-Raman ve XRD ölçümleri malzemelerin yapısal özelliklerini belirlemek için yapılmıştır. Işımasız ve ışımalı geçişler uyarım gücüne bağlı Fotoışıma (FI) ölçümleriyle belirlendi. Banttan banda optik geçişe ek olarak, Bi ile ilgili kümeler ve kuantum kuyusunun uzatılmış tabakası (extended) gerginlik etkisi dikkate alınarak hesaplanmıştır.Özet olarak, bu tez çalışması kapsamında çalışılan tüm örneklerin yüksek kristal kalitesine ve düzgün bir yüzeye sahip olduğu belirlenmiştir. FI sonuçları yapıya katılan Bi ile birlikte optik ve yapısal özelliklerin ne şekilde değiştiği, Bi kusurlarının ekzitonik lokalizasyon üzerindeki etkileri, ışımasız optik geçiş merkezlerinin azalışı ve alaşım düzensizlikleri belirlenmiştir.

GaAsBi quantum well structures are III-V group compound semiconductors and named as emerging materials due to their unique properties. Incorporation of a small amount of Bi into III–V group materials results in the large band-gap reduction and the large valence band split off energy. For those reasons, these structures are considered as a promising candidate for potential applications in mid-infrared (Mid-IR) optoelectronics applications. In this work, GaAs(1-x)Bix /GaAs single QW grown on semi-insulating undoped GaAs (100) and high index (311)B oriented GaAs substrates by Solid-Source Molecular Beam Epitaxy (MBE) with nominal Bi concentrations varied for x = 1%, 2%, and 3% were studied. The structural and optical properties of the GaAs(1-x)Bix/GaAs single quantum wells (QW) grown on different substrate orientations have been deeply investigated by using X-Ray Diffraction (XRD), Fourier-Transform Raman (FT-Raman) and Photoluminescence (PL) spectroscopy techniques.FT-Raman and XRD measurements have been performed to determine the structural properties of the materials. The non-radiative and radiative transition have been determined by power depend on PL. In addition to band to band transition, Bi-related cluster and extended layer of the QW were calculated taking into account strain effect. In summary, all investigated samples showed good crystal quality as well as smooth surface roughness. Additionally, the PL results have shown an enhancement of optical efficiency and structural quality as Bi amount is increased due to important effects of exciton localization related to Bi defects, reduced non-radiative centers, and alloy disorder.