A theoretical analysis of GaInNAs/GaAs quantum vells for long wavelength emission

Öz GalnNAs/GaAs UZUN DALGABOYLU KUANTUM KUYU LAZERLERİN TEORİK OLARAK İNCELENMESİ ODUNCUOĞLU, Murat Doktora Tezi, Fizik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr Beşire GÖNÜL Temmuz 2004, 136 sayfa Yaygın olarak kullanılan III-V yarıiletkenler ile III-N-V alaşımı olan Galn- NAs karşılaştırıldığında farklı fiziksel özellikler sergilediği görülmüştür. III-V yarıiletkenlerinin band aralığı örgü sabitinin azalması ile artarken, III-N-V sis temlerde azalmaktadır. Bu alaşımda azot konsantrasyonun artması kübik yapıdaki GalnN'ın tersine band aralığını azaltmaktadır. Bu tezde yapılan çalışmalar katkı atomlarının ve basıncın III-N-V sistemlerinde, III-V sistemlerine nazaran sıradışı özelliklere sahip olduğunu gösterir. Yapılan teorik hesaplamalarda etkin kütlenin azot konsantrasyonunun artması ile arttığı görülmüştür. Bu özellik yaygın olarak kullanılan yarıiletkenlerin tam tersidir. InGaAs yarıiletkenine azot ekleyerek GalnNAs elde edildiğinde, lazerler için ideal yapı olan derin iletkenlik bandı ve sığ değerlilik bandı elde edilebilmektedir. Bundan dolayı GalnNAs aktif tabaka olarak kullanıldığında yük taşıyıcılar daha iyi hapsedilebilmekte ve bunun sonucu olarak da yüksek sıcaklıklarda yük taşıyıcı sızmaları azalmaktadır. Basınca bağlı olarak değişen band yapısı, etkin kütle, optik hapsolma faktörü ve kazanç grafikleri model hesaplamalarla analiz edildi. GalnNAs üretmek için azot eklenen InGaAs materyal üzerindeki değişiklikler anlatıldı. İletkenlik bandı ve azot ekleme sonucu oluşan enerji seviyesi arasındaki etkileşimlerin band yapısı ve artan etkin kütle üzerindeki etkileri analitik olarak incelendi. Hesaplamalarda saydamlık taşıyıcı yoğunluğunun arttığı ve optik hapsolma faktörünün artmasından dolayı eşik taşıyıcı oranlarında azalma görüldü. Yarıiletken lazerlerde kayıp mekanizması dalgaboyuna bağlıdır ve basınç band aralığını değiştirir. Basıncın etkisi ile değişen lazer parametreleri hesaplanarak 1.3 /im'de ışıma yapan birbirine benzer üç lazer sistemi için kayıp mekanizmaları incelendi. AlVI ve N lazer sistemlerinin basınçla değişen materyal parametreleri P lazer sisteminden daha iyi sonuçlar verdiği görüldü. Böylece Al lazerlerin düşük eşik için ve N lazer sistemleri ise yüksek hız uygulamaları için iyi birer aday olduğu belirlendi. Hesaplamalarımız N'li sistemlerin fonon-yardımcılı Auger oranlarının diğer iki sisteme göre yavaş düşüş yaptığını göstermiştir. Eşik taşıyıcı yoğunluğu, N lazer sistemlerinde basınçla artarken Al ve P lazer sistemlerinde azalmak tadır. Sistemlerin bu şekilde farklı değişiklik göstermesi eşik akım değerlerinin bütün özelliklerini değiştirmektedir. Teorik hesaplamalarımızda N lazerlerinde yayılımlı ve yayılımsız değerlilik bandından iletkenlik bandına geçiş akımlarında artış olduğunu göstermiş ve bu N lazerlerinin olumlu yanlarını açıklamamıza yardım etmiştir. Yaptığımız hesaplamalarda GalnNAs yapılarında katkılarının kazanç karak teristikleri üzerinde azotsuz sistemlerden farklı özellikler gösterdiği görüldü. İlk olarak biz, azot katkılı alaşımların bu farklı özelliğinin iletkenlik bandındaki değişimden kaynaklandığını gösterdik. Ayrıca, Ga\^xInxNyAsı^.y lazer sistem inin kazanç karakteristiklerinin yüksek in / düşük N yoğunluğu kullanılarak katkılama yöntemi ile iyileştiğini gözledik. 1.3 fJ,m dalgaboylu Gaı-xInxNyAsı^y sistemlerinde yüksek in konsantrasyonu tercih edildiğinde etkin kütlede, band yapısında, geçirgenlik taşıyıcı yoğunluğunda, kazançta ve düşük eş zamanlı dağılım faktöründe istenilen değerlere ulaştığı görüldü. Kazanç hesaplamaları III-V ve III-N-V sistemlerinin tam olarak karakterize edilebilmesi için önemli bir faktördür. Materyal kazanç hesaplamaları yapılırken genellikle elektron ve boşlukların Coulomb etkileşmesi gözönüne alınmaz. Bu etkileşimi kazanç hesaplamalarımıza eklediğimizde kazançta yaklaşık üç kat artış olduğunu tespit ettik. III-N-V lazer sistemlerinin optimizasyonunda eksitonların davranışlarımnda anlaşılması gerekmektedir. Gaı-xInxNyAs\-y /GaAs ve InxGa\-x As /GaAs için eksiton hesaplamaları yapıldı ve bu iki sistem karşılaştırıldı. Azot yoğunluğunun artması, eksitonun bağlanma enerjisini arttırmaktadır. Değerlilik ve iletim bandı derinliği ve indirgenmiş eksiton kütlesinin, In/N oranına bağımlılığını ortaya çıkaran hesaplamalar, 1.3 //m lazerlerindeki eksiton bağlanma enerjisinin düşük in / yüksek N oranına sahip olduğunda en yüksek değere ulaştığını göstermiştir. Ayrıca P, Al ve N lazer sistemleri için eksiton bağlanma enerjilerinin, kuyu genişliğine bağlı olarak değişimi hesaplandı. P lazer sisteminin eksiton bağlanma enejisi en yüksek, Al lazer sisteminin en düşük ve N- lazer sisteminin ise bu iki sisteme ait değerlerin arasında olduğu gözlendi. Anahtar kelimeler: GalnNAs/GaAs, azot, band anticrossing modeli, basınç, bant aralığı daralması, bant genişliği, eksiton bağlanma enerjisi, katkılama