Wolny od defektów wzrost epitaksjalny i dyslokacje niedopasowania

Wzrost epitaksjalny bez wad występuje, gdy jedna sieć krystaliczna ma prawie identyczne stałe sieci jak inna. Wzrost ma miejsce, gdy miejsca sieci dwóch sieci w obszarze styku są w przybliżeniu dopasowane, co jest możliwe przy niewielkim niedopasowaniu sieci (mniej niż 0,1%). To przybliżone dopasowanie osiąga się nawet przy odkształceniu sprężystym na granicy faz, gdzie każdy atom jest nieznacznie przesunięty w stosunku do swojego pierwotnego położenia w warstwie granicznej. Chociaż niewielka ilość odkształcenia jest tolerowana w przypadku cienkich warstw, a nawet pożądana w przypadku laserów ze studnią kwantową, energia odkształcenia zmagazynowana w krysztale jest na ogół obniżana w wyniku tworzenia dyslokacji niedopasowanych, które obejmują brakujący rząd atomów w jednej sieci.

Powyższy rysunek ilustruje schematprzemieszczenie niedopasowane powstałe podczas wzrostu epitaksjalnego na płaszczyźnie sześciennej (100)., gdzie dwa półprzewodniki mają nieco inne stałe sieci. Jeśli a jest stałą sieciową podłoża i a’ = a − Δa jest stałą warstwy rosnącej, wówczas odstęp pomiędzy każdym brakującym rzędem atomów wynosi w przybliżeniu:

L ≈ a²/Δa

Na styku dwóch sieci brakujące rzędy atomów istnieją w dwóch prostopadłych kierunkach. Odstępy między rzędami wzdłuż głównych osi kryształu, takie jak [100], są w przybliżeniu określone przez powyższy wzór.

Ten typ defektu na styku nazywany jest dyslokacją. Ponieważ wynika to z niedopasowania sieci (lub niedopasowania), nazywa się to dyslokacją niedopasowania lub po prostu dyslokacją.

W pobliżu dyslokacji niedopasowanych sieć jest niedoskonała i zawiera wiele wiszących wiązań, co może prowadzić do niepromienistej rekombinacji elektronów i dziur. Dlatego do wytwarzania wysokiej jakości urządzeń optoelektronicznych wymagane są warstwy pozbawione przemieszczeń.

Generowanie dyslokacji niedopasowanych zależy od niedopasowania sieci i grubości wyhodowanej warstwy epitaksjalnej. Jeśli niedopasowanie sieci Δa/a mieści się w przedziale od -5 × 10^-3 do 5 × 10^-3, to w podwójnym InGaAsP-InP nie powstają dyslokacje niedopasowania warstwy heterostrukturalne (o grubości 0,4 µm) hodowane na (100) InP.

Występowanie dyslokacji w funkcji niedopasowania sieci dla różnych grubości warstw InGaAs hodowanych w temperaturze 650°C na (100)InP przedstawiono na poniższym rysunku.

Ten rysunek ilustrujewystępowanie dyslokacji niedopasowanych jako funkcja niedopasowania sieci dla różnych grubości warstw InGaAs hodowanych metodą LPE na (100) InP. W obszarze ograniczonym liniami ciągłymi nie obserwuje się dyslokacji niedopasowanych.

Jak pokazano na powyższym rysunku, linia ciągła przedstawia granicę, w której nie zaobserwowano żadnych dyslokacji. W przypadku wzrostu grubych, pozbawionych dyslokacji warstw InGaAs, tolerowane niedopasowanie sieci w temperaturze pokojowej wynosi od -6,5 × 10^-4 do -9 × 10^-4 .

To ujemne niedopasowanie sieci wynika z różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej InGaAs i InP; idealnie dopasowana warstwa w temperaturze wzrostu 650°C będzie miała ujemne niedopasowanie siatki w temperaturze pokojowej.

Ponieważ dyslokacje niedopasowane powstają wokół temperatury wzrostu, dopasowanie sieci w temperaturze wzrostu jest ważne dla wzrostu warstw wolnych od dyslokacji.**