Critical point transition energies and optical functions of the novel GaAs-based dilute bismide alloys GaAsBi, GaNAsBi, and GaPAsBi were determined using spectroscopic ellipsometry. The ellipsometry data were analyzed using a parameterized semiconductor model to represent the dielectric function of the alloys as the sum of Gaussian oscillators centered on critical points in the band structure, and from this extracting the energies of those critical points. The band gap and spin-orbit splitting were measured for samples for a range of alloy compositions. The first experimental measurements of the spin-orbit splitting in the GaNAsBi quaternary alloy were obtained, which showed that it is approximately independent of N content, in agreement with theory. The real component of the refractive index in the transparent region below the band gap was found to decrease as the band gap increased for all of the alloys studied, following the usual relations for conventional semiconductors. This work provides key electronic and optical parameters for the development of photonic devices based on these novel alloys.

1.
S. J.
Sweeney
,
Z.
Batool
,
K.
Hild
,
S. R.
Jin
, and
T. J. C.
Hosea
, in
13th International Conference on Transparent Optical Networks
,
Stockholm, Sweden
(
2011
), pp.
26
30
.
2.
K.
Oe
,
Jpn. J. Appl. Phys.
41
,
2801
(
2002
).
3.
S. J.
Sweeney
and
S. R.
Jin
,
J. Appl. Phys.
113
,
43110
(
2013
).
4.
S.
Jin
and
S. J.
Sweeney
,
J. Appl. Phys.
114
,
213103
(
2013
).
5.
K. C.
Cossel
,
E. M.
Waxman
,
I. A.
Finneran
,
G. A.
Blake
,
J.
Ye
, and
N. R.
Newbury
,
J. Opt. Soc. Am. B
34
,
104
(
2017
).
6.
S. J.
Sweeney
,
in 22nd IEEE International Semiconductor Laser Conference
,
Kyoto, Japan
(
2010
), pp.
111
112
.
7.
M.
Usman
,
C. A.
Broderick
,
A.
Lindsay
, and
E. P.
O'Reilly
,
Phys. Rev. B
84
,
245202
(
2011
).
8.
P.
Carrier
and
S.-H.
Wei
,
Phys. Rev. B
70
,
35212
(
2004
).
9.
B.
Fluegel
,
S.
Francoeur
,
A.
Mascarenhas
,
S.
Tixier
,
E.
Young
, and
T.
Tiedje
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
067205
(
2006
).
10.
T.
Higashi
,
S. J.
Sweeney
,
A. F.
Phillips
,
A. R.
Adams
,
E. P.
O'Reilly
,
T.
Uchida
, and
T.
Fujii
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
5
,
413
(
1999
).
11.
S. J.
Sweeney
,
A. R.
Adams
,
M.
Silver
,
E. P.
O'Reilly
,
J. R.
Watling
,
A. B.
Walker
, and
P. J. A.
Thijs
,
Phys. Status Solidi
211
,
525
(
1999
).
12.
M.
Silver
,
E. P.
O'Reilly
, and
A. R.
Adams
,
IEEE J. Quantum Electron.
33
,
1557
(
1997
).
13.
A. R.
Adams
,
M.
Asada
,
Y.
Suematsu
, and
S.
Arai
,
Jpn. J. Appl. Phys.
19
,
L621
(
1980
).
14.
Z.
Batool
,
K.
Hild
,
T. J. C.
Hosea
,
X.
Lu
,
T.
Tiedje
, and
S. J.
Sweeney
,
J. Appl. Phys.
111
,
113108
(
2012
).
15.
C. A.
Broderick
,
M.
Usman
, and
E. P.
O'Reilly
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
125025
(
2013
).
16.
D. E.
Aspnes
and
A. A.
Studna
,
Phys. Rev. B
27
,
985
(
1983
).
17.
C. M.
Herzinger
,
P. G.
Snyder
,
B.
Johs
, and
J. A.
Woollam
,
J. Appl. Phys.
77
,
1715
(
1995
).
18.
C. M.
Herzinger
,
H.
Yao
,
P. G.
Snyder
,
F. G.
Celii
,
Y. C.
Kao
,
B.
Johs
, and
J. A.
Woollam
,
J. Appl. Phys.
77
,
4677
(
1995
).
19.
S.
Zollner
,
J. Appl. Phys.
90
,
515
(
2001
).
20.
T. S.
Kim
,
T. V.
Cuong
,
C. S.
Park
,
J. Y.
Park
,
H. J.
Lee
,
E.
Suh
, and
C.
Hong
,
J. Korean Phys. Soc.
43
,
273
(
2003
).
21.
S. G.
Choi
,
C. J.
Palmstrøm
,
Y. D.
Kim
,
D. E.
Aspnes
,
H. J.
Kim
, and
Y.-C.
Chang
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
41917
(
2007
).
22.
J. J.
Yoon
,
T. H.
Ghong
,
J. S.
Byun
,
Y. D.
Kim
,
D. E.
Aspnes
,
H. J.
Kim
,
Y. C.
Chang
, and
J. D.
Song
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
151907
(
2008
).
23.
B.
Johs
,
C.
Herzinger
,
J.
Dinan
,
A.
Cornfeld
, and
J.
Benson
,
Thin Solid Films
313
,
137
(
1998
).
24.
N.
Ben Sedrine
,
T.
Gharbi
,
J. C.
Harmand
, and
R.
Chtourou
,
Phys. Status Solidi
205
,
833
(
2008
).
25.
J.
Šik
,
M.
Schubert
,
G.
Leibiger
,
V.
Gottschalch
, and
G.
Wagner
,
J. Appl. Phys.
89
,
294
(
2001
).
26.
T. J.
Kim
,
T. H.
Ghong
,
Y. D.
Kim
,
S. J.
Kim
,
D. E.
Aspnes
,
T.
Mori
,
T.
Yao
, and
B. H.
Koo
,
Phys. Rev. B
68
,
115323
(
2003
).
27.
H.
Kato
,
S.
Adachi
,
H.
Nakanishi
, and
K.
Ohtsuka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
33
,
186
(
1994
).
28.
Y.
Hwang
,
H.
Kim
,
Y.
Um
, and
H.
Park
,
J. Korean Phys. Soc.
51
,
S225
(
2007
).
29.
N. A.
Kotulak
,
M. P.
Lumb
,
M. K.
Yakes
,
K. J.
Schmieder
,
M.
Gonzalez
,
C.
Ebert
, and
R. J.
Walters
, in
2015 IEEE 42nd Photovoltaic Specialists Conference
(
IEEE, New Orleans, LA, USA
,
2015
).
30.
N.
Ben Sedrine
,
C.
Bouhafs
,
J. C.
Harmand
,
R.
Chtourou
, and
V.
Darakchieva
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
201903
(
2010
).
31.
G.
Leibiger
,
V.
Gottschalch
, and
M.
Schubert
,
J. Appl. Phys.
90
,
5951
(
2001
).
32.
N.
Ben Sedrine
,
I.
Moussa
,
H.
Fitouri
,
A.
Rebey
,
B.
El Jani
, and
R.
Chtourou
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
11910
(
2009
).
33.
S.
Turcotte
,
S.
Larouche
,
J. N.
Beaudry
,
L.
Martinu
,
R. A.
Masut
,
P.
Desjardins
, and
R.
Leonelli
,
Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys.
80
,
085203
(
2009
).
34.
L.
Nattermann
,
P.
Ludewig
,
L.
Meckbach
,
B.
Ringler
,
D.
Keiper
,
C.
von Hänisch
,
W.
Stolz
, and
K.
Volz
,
J. Cryst. Growth
426
,
54
(
2015
).
35.
Z. L.
Bushell
,
P.
Ludewig
,
N.
Knaub
,
Z.
Batool
,
K.
Hild
,
W.
Stolz
,
S. J.
Sweeney
, and
K.
Volz
,
J. Cryst. Growth
396
,
79
(
2014
).
36.
L.
Nattermann
,
P.
Ludewig
,
N.
Knaub
,
N. W.
Rosemann
,
T.
Hepp
,
E.
Sterzer
,
S. R.
Jin
,
K.
Hild
,
S.
Chatterjee
,
S. J.
Sweeney
,
W.
Stolz
, and
K.
Volz
,
Appl. Mater. Today
5
,
209
(
2016
).
37.
P.
Ludewig
,
Z. L.
Bushell
,
L.
Nattermann
,
N.
Knaub
,
W.
Stolz
, and
K.
Volz
,
J. Cryst. Growth
396
,
95
(
2014
).
38.
C. A.
Broderick
,
S.
Jin
,
I. P.
Marko
,
K.
Hild
,
P.
Ludewig
,
Z. L.
Bushell
,
W.
Stolz
,
J. M.
Rorison
,
E. P.
O'Reilly
,
K.
Volz
, and
S. J.
Sweeney
,
Sci. Rep.
7
,
46371
(
2017
).
39.
J. A. Woollam Co. Inc.
,
A Short Course in Ellipsometry
(
J. A. Woollam Co., Inc.
,
2001
).
40.
C. C.
Kim
,
J. W.
Garland
,
H.
Abad
, and
P. M.
Raccah
,
Phys. Rev. B
45
,
11749
(
1992
).
41.
C. A.
Broderick
,
P. E.
Harnedy
,
P.
Ludewig
,
Z. L.
Bushell
,
K.
Volz
,
R. J.
Manning
, and
E. P.
O'Reilly
,
Semicond. Sci. Technol.
30
,
94009
(
2015
).
42.
K.
Ryczko
,
G.
Sęk
,
P.
Sitarek
,
A.
Mika
,
J.
Misiewicz
,
F.
Langer
,
S.
Ho¨fling
,
A.
Forchel
, and
M.
Kamp
,
J. Appl. Phys.
113
,
233508
(
2013
).
43.
S.
Imhof
,
A.
Thränhardt
,
A.
Chernikov
,
M.
Koch
,
N. S.
Ko¨ster
,
K.
Kolata
,
S.
Chatterjee
,
S. W.
Koch
,
X.
Lu
,
S. R.
Johnson
,
D. A.
Beaton
,
T.
Tiedje
, and
O.
Rubel
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
131115
(
2010
).
44.
S.
Zollner
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
2523
(
1993
).
45.
D. W.
Marquardt
,
J. Soc. Ind. Appl. Math.
11
,
431
(
1963
).
46.
M.
Usman
,
C. A.
Broderick
,
Z.
Batool
,
K.
Hild
,
T. J. C.
Hosea
,
S. J.
Sweeney
, and
E. P.
O'Reilly
,
Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys.
87
,
115104
(
2013
).
47.
D.
Madouri
,
A.
Boukra
,
A.
Zaoui
, and
M.
Ferhat
,
Comput. Mater. Sci.
43
,
818
(
2008
).
48.
M. P.
Polak
,
P.
Scharoch
, and
R.
Kudrawiec
,
Semicond. Sci. Technol.
30
,
94001
(
2015
).
49.
R.
Maspero
,
S. J.
Sweeney
, and
M.
Florescu
,
J. Phys. Condens. Matter
29
,
75001
(
2017
).
50.
K.
Alberi
,
O. D.
Dubon
,
W.
Walukiewicz
,
K. M.
Yu
,
K.
Bertulis
, and
A.
Krotkus
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
51909
(
2007
).
51.
Z.
Chine
,
H.
Fitouri
,
I.
Zaied
,
A.
Rebey
, and
B.
El Jani
,
Semicond. Sci. Technol.
25
,
65009
(
2010
).
52.
M.
Masnadi-Shirazi
,
R. B.
Lewis
,
V.
Bahrami-Yekta
,
T.
Tiedje
,
M.
Chicoine
, and
P.
Servati
,
J. Appl. Phys.
116
,
223506
(
2014
).
53.
K.
Collar
,
J.
Li
,
W.
Jiao
,
Y.
Guan
,
M.
Losurdo
,
J.
Humlicek
, and
A. S.
Brown
,
AIP Adv.
7
,
75016
(
2017
).
54.
I. P.
Marko
and
S. J.
Sweeney
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
23
,
1501512
(
2017
).
55.
I.
Vurgaftman
and
J. R.
Meyer
,
J. Appl. Phys.
94
,
3675
(
2003
).
56.
G.
Leibiger
,
V.
Gottschalch
,
A.
Kasik
,
B.
Rheinlander
,
J.
Sik
, and
M.
Schubert
, in
Proceedings of the IEEE Twenty-Seventh International Symposium on Compound Semiconductors
(
2000
), pp.
7
12
.
57.
J.
Wu
,
W.
Shan
, and
W.
Walukiewicz
,
Semicond. Sci. Technol.
17
,
860
(
2002
).
58.
S. J.
Sweeney
,
K.
Hild
, and
S. R.
Jin
, in
39th IEEE Photovoltic Specialists Conference
,
Tampa Bay, Florida
(
2013
).
59.
S.
Sweeney
and
K.
Hild
, WO patent WO2014202983 A2 (24 December
2014
).
60.
A.
Aissat
,
A. M.
Benahmed
,
R.
Bestam
, and
J. P.
Vilcot
, in
2014 International Renewable Sustainable Energy Conference
(
IEEE, Ouarzazate
,
2014
), pp.
181
184
.
61.
M. M.
Habchi
,
A.
Ben Nasr
,
A.
Rebey
, and
B.
El Jani
,
Infrared Phys. Technol.
61
,
88
(
2013
).
62.
W.
Huang
,
K.
Oe
,
G.
Feng
, and
M.
Yoshimoto
,
J. Appl. Phys.
98
,
53505
(
2005
).
63.
S.
Tixier
,
S. E.
Webster
,
E. C.
Young
,
T.
Tiedje
,
S.
Francoeur
,
A.
Mascarenhas
,
P.
Wei
, and
F.
Schiettekatte
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
112113
(
2005
).
64.
K.
Forghani
,
Y.
Guan
,
M.
Losurdo
,
G.
Luo
,
D.
Morgan
,
S. E.
Babcock
,
A. S.
Brown
,
L. J.
Mawst
, and
T. F.
Kuech
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
111101
(
2014
).
65.
G.
Luo
,
K.
Forghani
,
T. F.
Kuech
, and
D.
Morgan
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
112104
(
2016
).
66.
C.
Gogineni
,
N. A.
Riordan
,
S. R.
Johnson
,
X.
Lu
, and
T.
Tiedje
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
41110
(
2013
).
67.
I. P.
Marko
,
Z.
Batool
,
K.
Hild
,
S. R.
Jin
,
N.
Hossain
,
T. J. C.
Hosea
,
J. P.
Petropoulos
,
Y.
Zhong
,
P. B.
Dongmo
,
J. M. O.
Zide
, and
S. J.
Sweeney
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
221108
(
2012
).
68.
N. M.
Ravindra
,
P.
Ganapathy
, and
J.
Choi
,
Infrared Phys. Technol.
50
,
21
(
2007
).
69.
V. P.
Gupta
and
N. M.
Ravindra
,
Phys. Status Solidi
100
,
715
(
1980
).
70.
S.
Adachi
,
J. Appl. Phys.
58
,
R1
(
1985
).
You do not currently have access to this content.