Defektfri epitaksial vekst og mistilpassede dislokasjoner

Defektfri epitaksial vekst oppstår når ett krystallgitter har nesten identiske gitterkonstanter til et annet. Vekst skjer når gitterstedene til de to gitterne ved grensesnittområdet er tilnærmet matchet, noe som er mulig med en liten gittermismatch (mindre enn 0,1%). Denne omtrentlige tilpasningen oppnås selv med elastisk tøyning ved grensesnittet, hvor hvert atom er litt forskjøvet fra sin opprinnelige posisjon i grenselaget. Mens en liten belastning er tolerabel for tynne lag og til og med ønskelig for kvantebrønnlasere, reduseres tøyningsenergien som er lagret i krystallen generelt ved dannelse av mistilpassede dislokasjoner, som involverer en manglende rad med atomer i ett gitter.

Figuren ovenfor illustrerer en skjematisk aven mistilpasset dislokasjon dannet under epitaksial vekst på et kubisk (100) plan, hvor de to halvlederne har litt forskjellige gitterkonstanter. Hvis a er gitterkonstanten til substratet og a' = a − Δa er det til det voksende laget, så er avstanden mellom hver manglende rad med atomer omtrentlig:

L ≈ a²/Δa

Ved grensesnittet mellom de to gitterne eksisterer de manglende radene med atomer langs to vinkelrette retninger. Avstanden mellom rader langs de viktigste krystallaksene, slik som [100], er omtrent gitt av formelen ovenfor.

Denne typen defekt ved grensesnittet kalles en dislokasjon. Siden det oppstår fra gittermistilpasningen (eller mistilpasningen), kalles det en mistilpasset dislokasjon, eller ganske enkelt en dislokasjon.

I nærheten av mistilpassede dislokasjoner er gitteret ufullkommen med mange dinglende bindinger, noe som kan føre til ikke-strålende rekombinasjon av elektroner og hull. Derfor, for høykvalitets optoelektronisk enhetsfabrikasjon, kreves det mistilpassede dislokasjonsfrie lag.

Genereringen av mistilpassede dislokasjoner avhenger av gittermistilpasningen og tykkelsen på det epitaksiale laget som vokser. Hvis gittermistilpasningen Δa/a er i området -5 × 10^-3 til 5 × 10^-3, dannes det ingen mistilpassede dislokasjoner i InGaAsP-InP dobbel heterostrukturlag (0,4 µm tykke) dyrket på (100) InP.

Forekomsten av dislokasjoner som en funksjon av gittermistilpasning for forskjellige tykkelser av InGaAs-lag dyrket ved 650 °C på (100) InP er vist i figuren nedenfor.

Denne figuren illustrererforekomsten av mistilpassede dislokasjoner som en funksjon av gittermistilpasning for forskjellige tykkelser av InGaAs-lag dyrket av LPE på (100) InP. Ingen mistilpassede dislokasjoner er observert i området avgrenset av heltrukne linjer.

Som vist i figuren ovenfor representerer den heltrukne linjen grensen der det ikke ble observert noen dislokasjoner. For vekst av tykke dislokasjonsfrie InGaAs-lag, er den tolerable romtemperaturgittermismatchen funnet å være mellom -6,5 × 10^-4 og -9 × 10^-4 .

Denne negative gittermismatchen oppstår på grunn av forskjellen i de termiske ekspansjonskoeffisientene til InGaAs og InP; et perfekt tilpasset lag ved veksttemperaturen på 650°C vil ha en negativ romtemperaturgittermistilpasning.

Siden mistilpassede dislokasjoner dannes rundt veksttemperaturen, er gittertilpasning ved veksttemperaturen viktig for veksten av dislokasjonsfrie lag.**