Band Gap and Symmetry of Wurtzite GaAs: A Resonant Raman Study

Abstract

III-V nanowires are fascinating quasi one-dimensional crystals, which have a huge potential as optoelectronic devices. Typically they grew in the zincblende structure. But a peculiarity of these nanowires is that they exhibit, depending of the growth conditions, also the wurtzite structure. For wurtzite GaAs up to date the optical gap is a topic of discussion. We perform polarization and position dependent as well as resonant Raman scattering on GaAs nanowires in order to investigate the optical gap of wurtzite GaAs. Resonant Raman scattering is non-destructive. It is directly related to the electronic transitions; thus it is a good alternative to photoluminescence to investigate the optical gap of wurtzite GaAs. Additionally, the comparison of Raman resonance and photoluminescence peaks allows to dif- ferentiate between direct and indirect band transitions. The measurements were performed on pure wurtzite, pure zincblende and on wurtzite nanowires with iso- lated zincblende insertions. The resonances of the TO, LO and 2LO phonon modes show consistently that the optical gap of wurtzite GaAs is EWZ=1,460 eV at room- temperature, 35 meV larger than the GaAs zincblende band gap. Due to different scattering geometries (parallel and perpendicular to wire axis), we were able to show, determine the band symmetries in wurtzite GaAs. In the wurtzite structure, GaAs exhibits a splitting between the heavy and light hole band at the point. The splitting between both bands is 65 meV. The resonance measurements on wurtzite GaAs with zincblende insertion point out that the wurtzite/zincblende heterostructure has a type-II band alignment. Thus, the zincblende insertions form quantum wells for electrons in the conduction band. This explains the observation of different transition energies energies in optical measurements. The E2h phonon, which is usually used as a fingerprint of the wurtzite structure, is almost complete quenched at excitation wavelengths above 600 nm. The dielectric polarization contrast for the coupling of light into the wire explains this observa- tion and demonstrates the limits of Raman scattering. The polarization dependent measurements show that the nanowire do not follow the calculated Raman selection rules. This is a result of the nanowire geometry, es- pecially the wire diameter, and of the dielectric mismatch with the environment.

III-V Nanodrähte sind faszinierende quasi ein dimensionale Krystalle, welche beson- ders für die Optoelektronik interessant sind. Die Drähte haben normalerweise eine zinkblende Struktur. Jedoch können diese, abhängig von den Wachstumsbedin- gungen auch eine wurzit Struktur aufweisen. Bei GaAs, welches eine wurzit Struk- tur zeigt, wird die Energie der Badlücke bis heute diskutiert. In dieser Arbeit wurde polarisations- und positionsabhängige, sowie resonante Raman Streuung gemessen. Die Messungen wurden an reinem zinkblende, reinem wurzit, sowie an wurzit Nanodrähten mit zinkblende Einschlüssen durchgefürt, um die Ban- dlücke von GaAs in der wurzit Struktur zu bestimmen. Die Resonanzen der TO, LO und 2LO Phononen zeigen klar, dass die Bandlücke von wurzit GaAs EWZ = 1,460 eV bei Raumtemperatur ist. Damit ist die Bandlücke von wurzit GaAs 35 meV größer als die Bandlücke von GaAs in der zinkblende Strukutur. Durch die Wahl einer bestimmten Streugeometrie haben wir die Symmetrieen des Leitungs- und Valencebandes gezeigt. Außerdem haben die Messungen ergeben, dass sich das oberste Valenzband in ein schwere Löcher und ein leichte Löcher Band aufspaltet. Der Energieunterschied zwischen beiden Bändern ist 65 meV. Die Resonanzen, gemessen an den wurzit Drähten mit zinkblende Einschlüssen, weisen darauf hin, dass die wurzit/zinkblende Heterostruktur ein Typ-II Het- eroübergang bildet. Damit bilden die zinkblende Einschlüsse Quantentöpfe für Elektronen im Leitungsband. Dies erklärt die Beobachtung von verschiedenen Bandlücken bei optischen Messungen an GaAs Nanodrähten. Die Messungen an dem für wurzit GaAs charachteristischem E2h Phonon haben gezeigt, dass es ab einer Anregungswellenlänge von 600nm, fast völlig verschwunden ist. Dies lässt sich durch den dielektrischen Kontrast und damit durch die Einkopplung von Licht in den Draht erklären und zeigt zusätzlich die Grenzen der Raman Spektroskopie. Die polarisationsabhängigen Messungen haben ergeben, dass die Nanodrähte nicht den Raman Auswahlregeln folgen. Dies ergibt sich aus dem kleinen (50 bis 200nm) Durchmesser der Drähte und dem verändertem dielektrischen Verhältnis zwischen Draht und Umgebung.