Defektfri epitaksial vækst og mistilpassede dislokationer

Defektfri epitaksial vækst opstår, når et krystalgitter har næsten identiske gitterkonstanter til et andet. Vækst sker, når gittersteder for de to gitter ved grænsefladeregionen er tilnærmelsesvis matchede, hvilket er muligt med en lille gittermismatch (mindre end 0,1%). Denne omtrentlige tilpasning opnås selv med elastisk belastning ved grænsefladen, hvor hvert atom er lidt forskudt fra sin oprindelige position i grænselaget. Mens en lille mængde belastning er tolerabel for tynde lag og endda ønskelig for kvantebrøndlasere, sænkes belastningsenergien, der er lagret i krystallen, generelt ved dannelsen af ​​mistilpassede dislokationer, som involverer en manglende række af atomer i et gitter.

Figuren ovenfor illustrerer en skematisk afen mistilpasset dislokation dannet under epitaksial vækst på et kubisk (100) plan, hvor de to halvledere har lidt forskellige gitterkonstanter. Hvis a er gitterkonstanten for substratet, og a' = a − Δa er det voksende lag, så er afstanden mellem hver manglende række af atomer cirka:

L ≈ a²/Δa

Ved grænsefladen mellem de to gitter eksisterer de manglende rækker af atomer langs to vinkelrette retninger. Afstanden mellem rækker langs de vigtigste krystalakser, såsom [100], er tilnærmelsesvis givet af ovenstående formel.

Denne type defekt ved grænsefladen kaldes en dislokation. Da det opstår fra gittermistilpasningen (eller mistilpasningen), kaldes det en mistilpasset dislokation eller blot en dislokation.

I nærheden af ​​mistilpassede dislokationer er gitteret ufuldkomment med mange dinglende bindinger, hvilket kan føre til ikke-strålende rekombination af elektroner og huller. Til fremstilling af optoelektroniske anordninger af høj kvalitet kræves der derfor lag, der ikke passer til dislokation.

Genereringen af ​​mistilpassede dislokationer afhænger af gittermistilpasningen og tykkelsen af ​​det voksede epitaksiale lag. Hvis gittermistilpasningen Δa/a er i området -5 × 10^-3 til 5 × 10^-3, dannes der ingen mistilpasningsforskydninger i InGaAsP-InP dobbelt heterostrukturlag (0,4 µm tykke) dyrket på (100) InP.

Forekomsten af ​​dislokationer som funktion af gittermismatch for forskellige tykkelser af InGaAs-lag dyrket ved 650°C på (100) InP er vist i figuren nedenfor.

Denne figur illustrererforekomsten af ​​mistilpassede dislokationer som funktion af gittermismatch for forskellige tykkelser af InGaAs-lag dyrket af LPE på (100) InP. Der observeres ingen mistilpassede dislokationer i området afgrænset af fuldt optrukne linjer.

Som vist i figuren ovenfor repræsenterer den fuldt optrukne linje grænsen, hvor der ikke blev observeret dislokationer. For væksten af ​​tykke dislokationsfrie InGaAs-lag er den tolerable rumtemperatur-gittermismatch fundet at være mellem -6,5 × 10^-4 og -9 × 10^-4 .

Denne negative gittermismatch opstår på grund af forskellen i de termiske udvidelseskoefficienter for InGaAs og InP; et perfekt tilpasset lag ved væksttemperaturen på 650°C vil have en negativ stuetemperatur-gittermismatch.

Da de mistilpassede dislokationer dannes omkring væksttemperaturen, er gittertilpasning ved væksttemperaturen vigtig for væksten af ​​dislokationsfrie lag.**