Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

INFLUENCE OF LASER IRRADIATION ON OPTICAL PROPERTIES OF GaAsBi/GaAs QUANTUM WELLS
Justinas Aleknavičius^a, Evelina Pozingytė^b, Renata Butkutė^b, Arūnas Krotkus^b, and Gintautas Tamulaitis^a
^aInstitute of Photonics and Nanotechnology, Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 3, Vilnius, Lithuania
^bDepartment of Optoelectronics, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, Vilnius, Lithuania
E-mail: renata.butkute@ftmc.lt

Received 14 February 2018; accepted 22 March 2018

This paper is focused on investigation of the impact of laser irradiation on the structural and optical properties of bismide-based multiple quantum wells (MQWs). The MQW structures, composed of 5 GaAsBi quantum wells, 7 nm thick, separated by 10 nm-thick GaAs barriers, were grown by molecular beam epitaxy on GaAs (100)-plane oriented semi-insulating substrates at 330°C temperature. The bismuth content in as-grown GaAsBi wells evaluated from the measurements of HR-XRD rocking curves was about 6%. HR-TEM and AFM studies of the MQWs evidenced sharp interfaces between the wells and barriers, and a smooth, droplet-free surface, respectively. HR-TEM images also evidenced a homogeneous bismuth distribution in the wells. The spatially-resolved photoluminescence study of GaAsBi/GaAs MQWs revealed the enhancement of PL emission efficiency of up to 80% with no shift of the spectral position after intense laser irradiation. The obtained results were explained by improvement of the GaAsBi crystal quality.

Keywords: molecular beam epitaxy, quantum wells, atomic force microscopy, spatially-resolved photoluminescence
PACS: 68.37.Ps, 78.55.Cr, 81.07.St, 81.15.Hi

LAZERIO SPINDULIUOTĖS POVEIKIS KVANTINIŲ GaAsBi/GaAs DUOBIŲ OPTINĖMS SAVYBĖMS
Justinas Aleknavičius^a, Evelina Pozingytė^b, Renata Butkutė^b, Arūnas Krotkus^b, and Gintautas Tamulaitis^a

^aVilniaus universiteto Fotonikos ir nanotechnologijų institutas, Vilnius, Lietuva
^bFizinių ir technologijos mokslų centro Optoelektronikos skyrius, Vilnius, Lietuva

Šiame darbe tyrėme lazerio spinduliuotės poveikį bismidų junginių kvantinių darinių kristalinei sandarai ir optinėms savybėms. Kvantinį darinį sudarė GaAsBi junginio 7 nm pločio 5 kvantinės duobės, apgaubtos 10 nm pločio GaAs barjerais. Dariniai buvo auginami esant 330°C temperatūrai, molekulinių pluoštelių epitaksijos būdu ant pusiau izoliuojančio GaAs padėklo, orientuoto (100) plokštuma. Bismuto kiekis kvantinėse GaAsBi duobėse, įvertintas modeliuojant didelės skyros rentgeno spindulių difrakcijos (400) plokštumos atspindžio smailės kampinę difraktogramą, buvo 6 %. Didelės skyros peršviečiamosios elektronų ir atominių jėgų mikroskopijos tyrimai parodė aštrias sąlyčio tarp kvantinės duobės ir barjerų ribas, glotnų ir be segregavusio bismuto ar galio lašų darinio paviršių. Elektronų mikroskopijos tyrimai taip pat atskleidė tolygų bismuto pasiskirstymą kvantinėse GaAsBi duobėse. Kampinės skyros fotoliuminescencijos matavimai parodė, kad lazerio spinduliuotė gali suintensyvinti emisiją iš kvantinių GaAsBi/GaAs darinių net iki 80 % nedarant poveikio emisijos bangos ilgiui. Darbe pasiekti rezultatai pagrįsti GaAsBi junginio kristalinės gardelės susitvarkymu.

References / Nuorodos

[1] K. Oe and H. Okamoto, New semiconductor alloy GaAs_1-xBi_x grown by metal organic vapor phase epitaxy, Jpn. J. Appl. Phys. 37-2(11A), L1283–L1285 (1998),
https://doi.org/10.1143/JJAP.37.L1283
[2] S. Tixier, M. Adamcyk, T. Tiedje, S. Francoeur, A. Mascarenhas, P. Wei, and F. Schiettekatte, Molecular beam epitaxy growth of GaAs_1-xBi_x, Appl. Phys. Lett. 82(14), 2245 (2003),
https://doi.org/10.1063/1.1565499
[3] K. Alberi, J. Wu, W. Walukiewicz, K.M. Yu, O.D. Dubon, S.P. Watkins, C.X. Wang, X. Liu, Y.-J. Cho, and J. Furdyna, Valence-band anticrossing in mismatched III–V semiconductor alloys, Phys. Rev. B 75(4), 045203 (2007),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.045203
[4] K. Alberi, O.D. Dubon, W. Walukiewicz, K.M. Yu, K. Bertulis, and A. Krotkus, Valence band anticrossing in GaBi_xAs_1-x, Appl. Phys. Lett. 91(5), 051909 (2007),
https://doi.org/10.1063/1.2768312
[5] J. Yoshida, T. Kita, O. Wada, and K. Oe, Temperature dependence of GaAs_1-xBi_x band gap studied by photoreflectance spectroscopy, Jpn. J. Appl. Phys. 42-1(2A), 371–374 (2003),
https://doi.org/10.1143/JJAP.42.371
[6] Z. Batool, K. Hild, T.J.C. Hosea, X. Lu, T. Tiedje, and S.J. Sweeney, The electronic band structure of GaBiAs/GaAs layers: Influence of strain and band anti-crossing, J. Appl. Phys. 111(11), 113108 (2012),
https://doi.org/10.1063/1.4728028
[7] G. Feng, K. Oe, and M. Yoshimoto, Influence of thermal annealing treatment on the luminescence properties of dilute GaNAs–bismide alloy, Jpn. J. Appl. Phys. 46(32), L764–L766 (2007),
https://doi.org/10.1143/JJAP.46.L764
[8] I. Moussa, H. Fitouri, Z. Chine, A. Rebey, and B. El Jani, Effect of thermal annealing on structural and optical properties of the GaAs_0.963Bi_0.037 alloy, Semicond. Sci. Technol. 23(12), 125034 (2008),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/23/12/125034
[9] A. Mohmad, F. Bastiman, C. Hunter, R. Richards, S. Sweeney, J. Ng, and J. David, Effects of rapid thermal annealing on GaAs_1-xBi_x alloys, Appl. Phys. Lett. 101(1), 012106 (2012),
https://doi.org/10.1063/1.4731784
[10] S. Mazzucato, P. Boonpeng, H. Carrère, D. Lagarde, A. Arnoult, G. Lacoste, T. Zhang, A. Balocchi, T. Amand, X. Marie, and C. Fontaine, Reduction of defect density by rapid thermal annealing in GaAsBi studied by time-resolved photoluminescence, Semicond. Sci. Technol. 28, 22001 (2013),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/28/2/022001
[11] O.M. Lemine, A. Alkaoud, H.V. Avanço Galeti, V. Orsi Gordo, Y. Galvão Gobato, H. Bouzid, A. Hajry, and M. Henini, Thermal annealing effects on the optical and structural properties of (100) GaAs_1-xBi_x layers grown by molecular beam epitaxy, Superlattices Microstruct. 65, 48–55 (2014),
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2013.10.002
[12] H. Makhloufi, P. Boonpeng, S. Mazzucato, J. Nicolai, A. Arnoult, T. Hungria, G. Lacoste, C. Gatel, A. Ponchet, H. Carrere, X. Marie, and C. Fontaine, Molecular beam epitaxy and properties of GaAsBi/GaAs quantum wells grown by molecular beam epitaxy: effect of thermal annealing, Nanoscale Res. Lett. 9(1), 123 (2014),
https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-123
[13] R. Butkutė, V. Pačebutas, B. Čechavičius, R. Adomavičius, A. Koroliov, and A. Krotkus, Thermal annealing effect on the properties of GaBiAs, Phys. Status Solidi C 9(7), 1614–1616 (2012),
https://doi.org/10.1002/pssc.201100700
[14] S.G. Spruytte, C.W. Coldren, J.S. Harris, W. Wampler, P. Krispin, K. Ploog, and M.C. Larson, Incorporation of nitrogen in nitride-arsenides: Origin of improved luminescence efficiency after anneal, J. Appl. Phys. 89(8), 4401 (2001),
https://doi.org/10.1063/1.1352675
[15] R. Butkutė, A. Geižutis, V. Pačebutas, B. Čechavičius, V. Bukauskas, R. Kondrotas, P. Ludewig, K. Volz, and A. Krotkus, Multi-quantum well Ga(AsBi)/GaAs laser diodes with more than 6% of bismuth, Electron. Lett. 50(16), 1155–1157 (2014),
https://doi.org/10.1049/el.2014.1741
[16] C. Toher, J.J. Plata, O. Levy, M. de Jong, M. Asta, M.B. Nardelli, and S. Curtarolo, High-throughput computational screening of thermal conductivity, Debye temperature and Grüneisen parameter using a quasi-harmonic Debye model, Phys. Rev. B 90, 174107 (2014),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.174107
[17] P. Dongmo, Y. Zhong, P. Attia, C. Bomberger, R. Cheaito, J.F. Ihlefeld, P.E. Hopkins, and J. Zide, Enhanced room temperature electronic and thermoelectric properties of the dilute bismuthide InGaBiAs, J. Appl. Phys. 112(9), 093710 (2012),
https://doi.org/10.1063/1.4761996
[18] S. Francoeur, S. Tixier, E. Young, T. Tiedje, and A. Mascarenhas, Bi isoelectronic impurities in GaAs, Phys. Rev. B 77, 085209 (2008),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.085209