Structural and optical characterization of Mg-doped GaAs Nanowires

Abstract

No presente trabalho realizámos um estudo para avaliar a influência da concentração de Mg nas propriedades óticas e estruturais de nanofios de GaAs crescidos em substratos de Si(111) por epitaxia de feixes moleculares assistida com partículas de Au. Nesse sentido, foram crescidas várias amostras com concentrações de Mg que variaram na gama 5⋅1013 - 1⋅1018 cm-3. A morfologia dos nanofios foi investigada por microscopia electrónica de varrimento tendo revelado nanofios auto-sustentados com algumas dezenas de microns de comprimento e sem nenhuma orientação particular. As medidas de Raman polarizada em nanofios individuais revelaram a presença do modo vibracional E2 H, o qual está relacionado com a fase wurzite, e o modo TO, relacionado com a fase blenda de zinco. A presença de ambas as fases também foi observada em todas as amostras a partir dos difractogramas de raios-X. Para a fase wurzite, os parâmetros de rede a e c foram estimados, estando de acordo com os dados disponíveis na literatura. Nas medidas de fotoluminescência polarizada, foi encontrada uma forte dependência na luminescência de algumas transições radiativas cuja origem pode estar relacionada com a fase wurzite. A partir da dependência da fotoluminescência na temperatura foram identificados os canais de desexcitação não radiativa para várias transições radiativas próximas do hiato de energia. Observou-se ainda a influência da dopagem com Mg na energia de activação para um canal de desexcitação envolvendo um nível discreto para duas components próximas do hiato de energia. Os resultados obtidos nesta tese demonstram pela primeira vez a possibilidade de crescer nanofios de GaAs de grandes dimensões dopados com Mg e com regiões com a fase wurzite.

In the present work we carried out a study to evaluate the influence of the Mg concentration in the structural and optical properties of GaAs nanowires grown on Si(111) substrates by Au-assisted molecular beam epitaxy. Several samples were grown with Mg concentrations varying between 5⋅1013 – 1⋅1018 cm-3. The morphology of the nanowires was investigated through scanning electron microscopy having revealed free-standing nanowires grown without any particular orientation and with a few tens of microns in length. Polarized Raman experiments of individual nanowires showed the presence of the E2 H phonon mode, which is related to the wurtzite phase, and the TO phonon mode which is related to the zincblende phase. The presence of both phases was also observed for all samples in the X-ray diffractograms. For the wurtzite phase, the lattice parameters a and c were estimated being in good agreement with the data available in the literature. It was found a strong polarization dependence on the photoluminescence for some of the radiative transitions whose origin could be related to the wurtzite phase. From the temperature dependence of the photoluminescence the non-radiative de-excitation channels were identified for the radiative transitions near the bandgap. Our results show that the Mg doping influence the activation energy for a de-excitation channel involving a discrete level identified for two components in the near bandgap region. The results achieved in this thesis show for the first time that long and wide GaAs nanowires doped with Mg with a wurtzite structure can be grown by MBE.