Structural and optical properties of bulk and quantum well gaas1-xbix semiconductors

Abstract

Günümüz optoelektronik aygıtların ve cep telefonu sistemleri gibi kablosuz haberleşmenin temelini III-V grubu bileşik yarıiletken malzemeler oluşturmaktadır. Bu malzemelerin bant enerji değerleri, optik fiberler için uygun olan düşük dağılımlı ve düşük düşük kayıp seviyesindedir. Optik fiberler, 850 nm, 1310 nm and 1550 nm dalga boylarında minimum kayba sahiptirler. Bu sebeple, uzun mesafeli iletişimlerde, ~ 100 km'lik maksimum iletim uzunluğuna sahip olması nedeniyle 1550 nm kullanılırken, kısa mesafeli veri iletişimi için 1310 nm tercih edilir. Proje kapsamında, Moleküler Beam Epitaxy ile GaAs alttaş üzerine farklı yönelimlerde büyütülmüş, Bi içeren kristal malzemelerin yapısal ve optik özellikleri incelenmiştir. Proje kapsamında, yürütülen deneylerde, araştırılan malzeme sistemleri epilayer numunelerde, Bix (0<x<0.23) miktarlarında, kuantum kuyulu Bi içeren yapılarda ise %1, %2, %3 Bi konsantrasyonlarındadır. Yapılan çalışmalar sonucunda, bileşik yarıiletkenler GaAs yarıiletkenine Bizmut atomu ilavesi ile oluşturulmuş ve optik özellikler sıcaklığa bağlı foto ışıma deneyleri ile ortaya konmuştur. Yapıların telekomünikasyonun çalışma penceresine yakın olan 875-1000 nm dalga boyunda emisyona sahip olduğu ortaya konmuştur. Proje öncesi, epilayer olarak büyütülen yapılardan elde edilen bulgular ışığında, Bi içeren yapılar MBE tekniği kullanılarak, yarı yalıtkan GaAs alttaş üzerine farklı büyütme sıcaklıklarında önce (100) düzlemi üzerine tek kuantum kuyusu olarak büyütülmüştür. Daha sonra, aynı yapısal özelliklere sahip numuneler, (311) B doğrultusunda büyütülerek, yapısal, optik ve elektriksel olarak büyütme oryantasyonuna bağlı özellikler araştırılmıştır. Yapısal ve morfolojik özellikler, X-ışını difraktometresi, Atomik Kuvvet Mikroskobu, Raman ölçümleri yapılarak gerçekleştirilmiştir. Kuantum yapıların kristal kalitesi, örgü parametresi, büyütme düzlemleri XRD tekniği ile yüzey morfolojisi ise AFM tekniği kullanarak belirlenmiştir. Yapısal titreşim sonucu oluşan optik fononların enerjileri, ilave edilen Bi atom miktarına ve high index plane (311)B'de büyütmeye bağlı olarak ayrı ayrı Raman tekniği ile belirlenmiştir. Ayrıca, birçok tekrarlar yaparak elde edilen yüksek kalitedeki GaAsBi/GaAs tek kuantum kuyu yapıların kızılötesi bölgesinde ışınım yapan lazer tasarımında kullanılabilme potansiyeli olabileceği ilk kez bu tezde rapor edilmiştir.

The basis of wireless communications such as today's optoelectronic devices and mobile phone systems is the group III-V compound semiconducting materials. These materials can be used for optical fibers due to their band gap energies in the low dispersion and low optical loss window. The optical fibers have minimal loss in the wavelengths of 850 nm, 1310 nm and 1550 nm. For this reason, for long haul communications, 1550 nm window is used due to maximum transmission length of ~100 km while 1310 nm is preferred for short distance data communications (Mokkapati and Jagadish, 2009). In this thesis, structural and optical properties of Bi-containing crystal materials grown on GaAs substrate on various orientations by Molecular Beam Epitaxy (MBE) have been investigated. The samples that were grown as epilayer has Bix (0<x<0.23) content while quantum well's 1%, 2%, 3%, respectively. Compound semiconductor is produced by introducing Bi atoms into the GaAs and their optical properties were determined by temperature dependent photoluminescence measurements. It is presented that the structures are emitted at wavelength of 875-1000 nm which is close to the operation wavelength for telecommunication window. Under the guide of the previous investigation on epilayer structure, Bi- containing single quantum well structures were grown by MBE on (100) and then (311) B planes on semi-insulating (SI) GaAs substrate at various growth temperature due to investigate growth oriented structural, optical and electrical properties. Structural and morphological properties were determined by X-ray diffractometer (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), Raman measurement. Optical phonon energies that induced by vibration of the structure according to introducing Bi content and high index plane growing were calculated using Raman measurement. As a result, it was experimentally reported that such materials have potential to be used as laser design for fiber optic communications for the first time in the current thesis.