Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

PHOTOLUMINESCENCE PROPERTIES OF GaAsBi SINGLE QUANTUM WELLS WITH 10% OF Bi
Evelina Dudutienė^a, Algirdas Jasinskas^a, Bronislovas Čechavičius^a, Ramūnas Nedzinskas^a, Monika Jokubauskaitė^a, Andrius Bičiūnas^a, Virginijus Bukauskas^b, Gintaras Valušis^a,c, and Renata Butkutė^a,c
^aDepartment of Optoelectronics, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, 10257 Vilnius, Lithuania
^bDepartment of Physical Technologies, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, 10257 Vilnius, Lithuania
^cInstitute of Photonics and Nanotechnology, Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 3, 10257 Vilnius, Lithuania
Email: evelina.dudutiene@ftmc.lt

Received 1 June 2021; accepted 2 June 2021

A set of single quantum well (SQW) samples of GaAs_1-xBi_x with x ~ 0.1 and p-doped GaAs barriers grown by molecular beam epitaxy was investigated by the temperature-dependent photoluminescence (PL) spectroscopy. Those GaAsBi SQW structures showed a high crystalline quality, a smooth surface and sharp interfaces between the layers and exhibited a high PL intensity and a lower than 100 meV PL linewidth of QW structures. Temperature dependence of the optical transition energy was S-shape-free for all investigated structures and it was weaker than that of GaAs. An analysis of the carrier recombination mechanism was also carried out indicating that the radiative recombination is dominant even at room temperature. Moreover, numerical calculations revealed that a higher Be doping concentration leads to an increased overlap of the electron and heavy hole wave functions and determines a higher PL intensity.

Keywords: molecular beam epitaxy, quantum wells, bismides, photoluminescence

GaAsBi KVANTINIŲ DUOBIŲ SU 10 % BISMUTO FOTOLIUMINESCENCINĖS SAVYBĖS
Evelina Dudutienė^a, Algirdas Jasinskas^a, Bronislovas Čechavičius^a, Ramūnas Nedzinskas^a, Monika Jokubauskaitė^a, Andrius Bičiūnas^a, Virginijus Bukauskas^b, Gintaras Valušis^a,c, Renata Butkutė^a,c

^aFizinių ir technologijos mokslų centro Optoelektronikos skyrius, Vilnius, Lietuva
^bFizinių ir technologijos mokslų centro Fizikinių technologijų skyrius, Vilnius, Lietuva
^cVilniaus universiteto Fotonikos ir nanotechnologijų institutas, Vilnius, Lietuva

Darbe pristatomas žemose temperatūrose molekulių pluoštelio epitaksijos metodu užaugintų GaAs_1-xBi_x, kur x ~ 0,1, kvantinių duobių su p tipo GaAs barjerais fotoliuminescencijos (PL) tyrimas. PL matavimai buvo atlikti plačiame 3–300 K temperatūrų intervale, naudojant skirtingas sužadinimo galias. Tirtos GaAsBi kvantinės duobės pasižymi aukšta kristaline kokybe, glotniais paviršiais, aštriais perėjimais tarp sluoksnių, lėmusiais didesnį PL intensyvumą ir mažesnį PL juostų pusplotį. Temperatūriniai PL matavimai parodė, kad temperatūrinė optinių šuolių energijos priklausomybė atitinka fundamentinį Varshni dėsnį su parametrais, mažesniais nei GaAs. Krūvininkų rekombinacijos analizė atskleidė, kad spindulinės rekombinacijos kanalas dominuoja net kambario temperatūroje. Atlikti skaitmeniniai GaAsBi/GaAs:Be kvantinių duobių skaičiavimai rodo, kad esant didžiausiai Be koncentracijai barjeruose elektronų ir sunkių skylių banginių funkcijų persiklojimas didesnis, o tai lemia išaugusį PL intensyvumą.

References / Nuorodos

[1] S. Francoeur, M.J. Seong, A. Mascarenhas, S. Tixier, M. Adamcyk, and T. Tiedje, Band-gap of GaAs_1–xBi_x, 0 < x < 3.6%, Appl. Phys. Lett. 82, 3874–3876 (2003),
https://doi.org/10.1063/1.1581983
[2] J. Liu, W. Pan, X. Wu, C. Cao, Y. Li, X. Chen, Y. Zhang, L. Wang, J. Yan, D. Zhang, Y. Song, J. Shao, and S. Wang, Electrically injected GaAsBi/GaAs single quantum well laser diodes, AIP Adv. 7, 115006 (2017),
https://doi.org/10.1063/1.4985231
[3] B. Fluegel, S. Francoeur, A. Mascarenhas, S. Tixier, E.C. Young, and T. Tiedje, Giant spin-orbit bowing in GaAs_1–xBi_x, Phys. Rev. Lett. 97, 067205 (2006),
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.067205
[4] R. Butkutė, V. Pačebutas, B. Čechavičius, R. Nedzinskas, A. Selskis, A. Arlauskas, and A. Krotkus, Photoluminescence at up to 2.4 μm wavelengths from GaInAsBi/AlInAs quantum wells, J. Cryst. Growth 391, 116–120 (2014),
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.01.009
[5] S. Pūkienė, M. Karaliūnas, A. Jasinskas, E. Dudutienė, B. Čechavičius, J. Devenson, R. Butkutė, A. Udal, and G. Valušis, Enhancement of photoluminescence of GaAsBi quantum wells by parabolic design of AlGaAs barriers, Nanotechnology 30, 455001 (2019),
https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab36f3
[6] Y. Tominaga, K. Oe, and M. Yoshimoto, Low temperature dependence of oscillation wavelength in GaAs_1–xBi_x laser by photo-pumping, Appl. Phys. Express 3, 062201 (2010),
https://doi.org/10.1143/APEX.3.062201
[7] P. Ludewig, N. Knaub, N. Hossain, S. Reinhard, L. Nattermann, I.P. Marko, S.R. Jin, K. Hild, S. Chatterjee, W. Stolz, S.J. Sweeney, and K. Volz, Electrical injection Ga(AsBi)/(AlGa)As single quantum well laser, Appl. Phys. Lett. 102, 242115 (2013),
https://doi.org/10.1063/1.4811736
[8] R. Butkutė, A. Geižutis, V. Pačebutas, B. Čechavičius, V. Bukauskas, R. Kundrotas, P. Ludewig, K. Volz, and A. Krotkus, Multi-quantum well Ga(AsBi)/GaAs laser diodes with more than 6% of bismuth, Electron. Lett. 50, 1155–1157 (2014),
https://doi.org/10.1049/el.2014.1741
[9] J. Puustinen, M. Wu, E. Luna, A. Schramm, P. Laukkanen, M. Laitinen, T. Sajavaara, and M. Guina, Variation of lattice constant and cluster formation in GaAsBi, J. Appl. Phys. 114, 243504 (2013),
https://doi.org/10.1063/1.4851036
[10] Z. Liliental-Weber, A. Claverie, J. Washburn, F. Smith, and R. Calawa, Microstructure of annealed low-temperature-grown GaAs layers, Appl. Phys. A 53, 141–146 (1991),
https://doi.org/10.1007/BF00323874
[11] nextnano³ – next generation 3D nano device simulator,
https://www.nextnano.de/nextnano3/ (accessed: 13 May 2021)
[12] V. Karpus, R. Norkus, R. Butkutė, S. Stanionytė, B. Čechavičius, and A. Krotkus, THz-excitation spectroscopy technique for band-offset determination, Opt. Express 26, 33807 (2018),
https://doi.org/10.1364/OE.26.033807
[13] V. Pačebutas, R. Butkutė, B. Čechavičius, J. Kavaliauskas, and A. Krotkus, Photoluminescence investigation of GaAs_1–xBi_x/GaAs heterostructures, Thin Solid Films 520, 6415–6418 (2012),
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.06.047
[14] C. Cetinkaya, E. Cokduygulular, F. Nutku, O. Donmez, J. Puustinen, J. Hilska, A. Erol, and M. Guina, Optical properties of n- and p-type modulation doped GaAsBi/AlGaAs quantum well structures, J. Alloys Compd. 739, 987–996 (2018),
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.261
[15] Y.P. Varshni, Temperature dependence of the energy gap in semiconductors, Physica 34, 149–154 (1967),
https://doi.org/10.1016/0031-8914(67)90062-6
[16] T. Wilson, N.P. Hylton, Y. Harada, P. Pearce, D. Alonso-Álvarez, A. Mellor, R.D. Richards, J.P.R. David, and N.J. Ekins-Daukes, Assessing the nature of the distribution of localised states in bulk GaAsBi, Sci. Rep. 8, 6457 (2018),
https://doi.org/10.1038/s41598-018-24696-2
[17] N.A. Riordan, C. Gogineni, S.R. Johnson, X. Lu, T. Tiedje, D. Ding, Y.H. Zhang, R. Fritz, K. Kolata, S. Chatterjee, K. Volz, and S.W. Koch, Temperature and pump power dependent photoluminescence characterization of MBE grown GaAsBi on GaAs, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 23, 1799–1804 (2012),
https://doi.org/10.1007/s10854-012-0665-1
[18] I. Vurgaftman, J.R. Meyer, and L.R. Ram-Mohan, Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys, J. Appl. Phys. 89, 5815–5875 (2001),
https://doi.org/10.1063/1.1368156