Investigación

Effect of giant electric fields on the optical properties of GaN quantum wells

G. González de la Cruz^ª, H. Herrera^b and A. Calderón Arenas^b

ª Departamento de Física, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Apartado Postal 14–740, 07000 México D.F., México, e–mail: bato@fis.cinvestav.mx

^b Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional, Legaria 694, Colonia Irrigación, 11500 México D.F. México, e–mail: herrera@fis.cinvestav.mx, calder@fis.cinvesta.mx

Recibido el 25 de abril de 2007
Aceptado el 8 de junio de 2007

Abstract

Spontaneous and piezoelectric fields are known to be the key to understanding the optical properties of nitride heterostructures. This effect modifies the electronic states in the quantum well (QW) and the emission energy in the photoluminescence (PL) spectrum. These fields induce a reduction in the oscillator strength of the transition energy between the confined electron and hole states in GaN/Al_xGa_1–xN QWs, and dramatically increase the carrier lifetime as the QW thickness increases. In this work, we solve analytically the Schrodinger equation for moderate electric fields when the electron–hole transition energy in the QW is larger than the energy gap of the GaN. Furthermore, the large redshifts of the PL energy position and the spatial separation of the electrons and holes several greater times than the Bohr radius caused by the strong piezoelectric fields are explained using a triangular potential, instead of a square one, in the Schrodinger equation. The transition energy calculations between the electron–hole pair as a function of the well width with the electric field as a fitting parameter are in agreement with the measured photoluminescence energy peaks.

Keywords: Semiconductor quantum wells; electric field; photoluminiscence.

Resumen

Los campos piezoeléctricos y espontáneos son de gran relevancia en el estudio de las propiedades ópticas en estructuras nitrogenadas. Dichos campos modifican los estados electrónicos en el pozo cuántico y como consecuencia la energía de emisión en los espectros de fotoluminiscencia. Los campos eléctricos presentes en el pozo cuántico, por ejemplo GaN/Al_xGa_1–xN QWs, inhiben la transición de recombinación entre electrones en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia. Además, el corrimiento hacia bajas energías en la posición del pico de fotoluminiscencia y la separación espacial entre electrones y huecos en el límite de campos eléctricos intensos, son explicados usando un pozo de potencial triangular en la ecuación de Schrödinger en lugar de un pozo cuadrado. Las energías de transición obtenidas por este modelo son comparadas con experimentos de fotoluminiscencia.

Descriptores: Pozos cuánticos semiconductores; campo eléctrico; fotoluminiscencia.

PACS: 78.20.Bh; 78.55.–m; 78.67.De

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Acknowledgments

This work was partially supported by Conacyt, Mexico.

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