Hibamentes epitaxiális növekedés és helytelen diszlokációk

Hibamentes epitaxiális növekedés akkor fordul elő, ha az egyik kristályrács közel azonos rácsállandókkal rendelkezik a másikéval. A növekedés akkor következik be, ha a két rács rácshelyei az interfész régióban megközelítőleg egyeznek, ami kis rácshibával (kevesebb, mint 0,1%) lehetséges. Ez a hozzávetőleges illeszkedés még a határfelületen lévő rugalmas alakváltozással is elérhető, ahol minden atom kissé elmozdul eredeti helyéről a határrétegben. Míg vékony rétegeknél kis mértékű feszültség tolerálható, és kvantumkút-lézereknél még kívánatos is, a kristályban tárolt alakváltozási energiát általában csökkenti a nem illeszkedő diszlokációk kialakulása, amelyek egy rácsban hiányzó atomsort foglalnak magukban.

A fenti ábra egy vázlatos rajzot mutat beköbös (100) síkban epitaxiális növekedés során kialakuló misfit diszlokáció, ahol a két félvezető rácsállandója kissé eltérő. Ha a a szubsztrát rácsállandója és a’ = a − Δa a növekvő rétegé, akkor az egyes hiányzó atomsorok közötti távolság megközelítőleg:

L ≈ a²/Δa

A két rács határfelületén a hiányzó atomsorok két merőleges irányban léteznek. A fő kristálytengelyek mentén lévő sorok közötti távolságot, például [100], megközelítőleg a fenti képlet adja meg.

Az interfész ilyen típusú hibáit diszlokációnak nevezik. Mivel a rácsos eltérésből (vagy misfitből) adódik, nem illesztési diszlokációnak, vagy egyszerűen diszlokációnak nevezik.

A rosszul illeszkedő diszlokációk közelében a rács tökéletlen, sok lelógó kötést tartalmaz, ami elektronok és lyukak nem sugárzási rekombinációjához vezethet. Ezért a jó minőségű optoelektronikai eszközök gyártásához helytelenül illeszkedő, diszlokációmentes rétegekre van szükség.

A nem illeszkedő diszlokációk kialakulása a rács eltérésétől és a megnövekedett epitaxiális réteg vastagságától függ. Ha a Δa/a rács eltérés a -5 × 10^-3 és 5 × 10^-3 tartományban van, akkor az InGaAsP-InP kettősben nem képződnek illesztési diszlokációk heterostrukturális rétegek (0,4 µm vastagság), amelyeket (100) InP-n növesztettek.

A diszlokációk előfordulását a rács eltérés függvényében 650°C-on (100) InP-n növesztett InGaAs rétegek különböző vastagságánál az alábbi ábra mutatja.

Ez az ábra szemléltetia nem illeszkedő diszlokációk előfordulása a rács eltérésének függvényében az LPE által növesztett különböző vastagságú InGaAs rétegeknél (100) InP-n. A folytonos vonalakkal határolt régióban nem figyelhető meg illesztési diszlokáció.

Amint a fenti ábrán látható, a folytonos vonal azt a határt jelöli, ahol nem figyeltek meg diszlokációt. Vastag, diszlokációmentes InGaAs rétegek növekedése esetén a tolerálható szobahőmérséklet rács-eltérés -6,5 × 10^-4 és -9 × 10^-4 között van. .

Ez a negatív rács-eltérés az InGaAs és az InP hőtágulási együtthatóinak különbségéből adódik; a tökéletesen illeszkedő réteg 650°C-os növekedési hőmérsékletén negatív szobahőmérsékletű rács-eltérést mutat.

Mivel a nem illeszkedő diszlokációk a növekedési hőmérséklet körül alakulnak ki, a növekedési hőmérsékleten történő rácsillesztés fontos a diszlokációmentes rétegek növekedéséhez.**