Estudio de la fotoluminiscencia de pozos cuánticos de Ga1−xInxNyAs1−y/GaAs

Abstract

In the last years, nitride III-V semiconductor alloys attract an increasing amount of attention due to their interesting optical properties and the related potencial for applications in various electronic and optoelectronic devices. The diluted quaternary alloy Ga1−xInxNyAs1−y is a promising material in the field of optical communications, expecting to provide efficient light emitters at the 1.3 and 1.55 μm low loss bands, and being lattice-matched to GaAs, which is desirable because allows to use the technology developed for this binary compound. It is known that N incorporation degrades the optical properties of diluted nitride semiconductor, due to an increasing density of non-radiative centers. In order to remove such defects, post-growth thermal annealing of the sample is necessary. The optical properties of Ga1−xInxNyAs1−y improve considerably after annealing but this also causes a large blueshift of the emission. In this work, we will study by photoluminescence, the optical properties of Ga1−xInxNyAs1−y/GaAs single quantum wells, and the effect of post growth rapid thermal annealing in these properties. The studied samples are 7 nm-thick single quantum wells with y = 0.015 and x varying between 0.2 and 0.3 which undergo post growth rapid thermal annealing at 850 C for 15”. One of this samples also incorporates a GaInAs quantum well with identical In-concentration as the Ga1−xInxNyAs1−y. The photoluminescence (PL) of as-grown and annealed samples, measured as a function of temperature and excitation density, show that Ninduced localized states dominate the emission spectra at low temperature. The localization potential was calculated from the low energy tail of the emission, showing that thermal annealing reduces the localization grade in all these samples. In order to clarify the nature of low temperature emission, PL measurements as a function of the excitation power and under a magnetic field have been carried out. These results confirm that low temperature recombination is not excitonic and involves localized electrons and free holes.

Las propiedades físicas de los nitruros semiconductores del grupo III los convierten en excelentes candidatos para la fabricación de variados dispositivos optoelectr ónicos. El nitruro diluido cuaternario Ga1−xInxNyAs1−y en particular, ha suscitado un creciente interés en el área de las comunicaciones ópticas, con miras a la fabricación de emisores y detectores en el rango en el cual las tecnologías de fibras ópticas existentes presentan unas pérdidas mínimas (1.3 y 1.55μm). La ventaja de este material cuaternario es que tiene coincidencia de red con el GaAs, lo que permite aprovechar toda la tecnología desarrollada para la fabricación de este material binario. Es sabido que las propiedades ópticas de los nitruros diluidos se degradan con la incorporación de N, debido a un aumento en la densidad de centros de recombinación no-radiativos. Para eliminar tales defectos, el material es sometido a un tratamiento de recocido térmico después de su fabricación que, además de generar una notable mejora de sus propiedades ópticas, origina un marcado corrimiento de la emisión hacia el azul. En este trabajo, estudiaremos por fotoluminiscencia, las propiedades ópticas de pozos cuánticos de Ga1−xInxNyAs1−y/GaAs, y el efecto que tiene sobre estas el tratamiento de recocido térmico rápido. Las muestras estudiadas son pozos cuánticos sencillos de 7 nm de espesor, con y = 0.015 y x variando entre 0.2 y 0.3. Las muestras fueron sometidas a un recocido térmico rápido a 850 C durante 15”. Una de estas muestras, incorpora además un pozo cuántico de GaInAs con la misma concentración de In que tiene el pozo cuántico de Ga1−xInxNyAs1−y. La PL de las muestras con y sin recocido, medidas en función de la la densidad de excitación y la temperatura, muestran que la emisión de los pozos cuánticos a baja temperatura es dominada por los estados localizados inducidos por el N. Los potenciales de localización fueron calculados a partir del análisis de la asimetría a bajas energías de los espectros de fotoluminiscencia y muestran que el recocido reduce el grado de localización en todas las muestras. Con el ´animo de aclarar la naturaleza de la emisión a baja temperatura, se hicieron medidas de PL bajo campo magnético. Los resultados confirman que la recombinación a baja temperatura no es excitónica y que involucra electrones localizados y huecos libres.