Estudo de filmes finos de GaAs1−xNx/GaAs por espectroscopia Raman e de fotoluminescência

Abstract

A dependência da quantidade de nitrogênio (N) nas propriedades ópticas e estruturais de filmes finos de GaAs1−xNx/GaAs, com 0, 0144 x 0, 0370, tratados termicamente e como crescidos, foram investigados por espectroscopias Raman e de Fotoluminescência. Os espectros Raman exibem a presença de dois modos caracter ísticos do filme de GaAs1−xNx. É observado um sistemático decréscimo da freqüência do fônon longitudinal óptico do tipo-GaAs (LO1), próximo a 292 cm−1 e um aumento linear da intensidade do fônon longitudinal óptico do tipo-GaN (LO2), próximo a 475 cm−1, com o aumento da concentração de N. É também evidente que a concentração de N nos filmes de GaAs1−xNx, determinado por espectroscopia Raman (xRaman), exibe uma dependência linear com aquela determinada por difração de Raios-X de alta resolução (HRXDR) (xXRD). Foi verificado que o sistemático redshift observado para o fônon LO1 e geralmente associado a deformações (strain) da rede e aos efeitos de liga, é também influenciado pela presença da dopagem não intencional assim como pela quebra da ordem de longo alcance da rede cristalina, devido a introdução do N. Os resultados de Fotoluminescência (PL) evidenciaram um decréscimo de até 460 meV do band gap do GaAs1−xNx com o aumento da concentração de N, no intervalo de x estudado. Medidas de PL em função da temperatura e da intensidade de excitação revelaram que o decréscimo de energia do band gap com o aumento da temperatura é significantemente maior para o GaAs do que para o GaAs1−xNx e que na temperatura de 7 K, o processo de recombinação bimolecular dos portadores é predominantemente radiativo. Todos os resultados de PL, são explicados pelo modelo Band Anticrossing. __________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The dependence of nitrogen (N) concentration on optical properties in thermally treated and as grown thin films of GaAs1−xNx, with 0, 0144 x 0, 0370, is investigated through Raman spectroscopy and Photoluminescence. Raman spectra exhibits the presence of two GaAs1−xNx characteristic modes. A systematic decrease of the longitudinal optical GaAs-type phonon frequency (LO1) near 292 cm−1 and a linear increase of longitudinal optical phonon of the GaN-type (LO2), near 475 cm−1 is observed with increasing N concentration. It is also evident that the N concentration in GaAs1−xNx, determined by Raman spectroscopy (xRaman), exhibits a linear dependence with the one determined by High Resolution X-Ray Diffraction (HRXRD) (xXRD). It was verified that the systematic redshift observed for the LO1 phonon, usually associated to lattice strain and alloy effects, is associated with non-intentional doping and the loss of long range crystaline order. The photoluminescence (PL) results showed a reduction of up to 460 meV of the GaAs1−xNx band gap with increasing N concentration. PL measurements as a function of temperature and excitation intensity, revealed that the decrease of band gap energy with temperature increase is significantly greater for GaAs compared to GaAs1−xNx, and that at 7K the carrier bimolecular recombination process is predominantly radiative. All PL results are explained by the Band Anticrossing model.