Epitaxní růst bez defektů a chybné dislokace

Epitaxní růst bez defektů nastane, když jedna krystalová mřížka má téměř identické mřížkové konstanty jako jiná. K růstu dochází, když jsou mřížková místa dvou mřížek v oblasti rozhraní přibližně shodná, což je možné s malým nesouladem mřížky (méně než 0,1 %). Toto přibližné přizpůsobení je dosaženo i při elastické deformaci na rozhraní, kde je každý atom mírně posunut ze své původní polohy v mezní vrstvě. Zatímco malé množství napětí je tolerovatelné pro tenké vrstvy a dokonce žádoucí pro lasery s kvantovými jámami, deformační energie uložená v krystalu je obecně snížena tvorbou dislokací chybného uložení, které zahrnují chybějící řadu atomů v jedné mřížce.

Výše uvedený obrázek znázorňuje schémachybná dislokace vytvořená během epitaxního růstu na kubické (100) rovině, kde oba polovodiče mají mírně odlišné mřížkové konstanty. Jestliže a je mřížková konstanta substrátu a a’ = a − Δa je konstanta rostoucí vrstvy, pak je vzdálenost mezi každou chybějící řadou atomů přibližně:

L ≈ a²/Δa

Na rozhraní dvou mřížek existují chybějící řady atomů ve dvou kolmých směrech. Vzdálenost mezi řadami podél hlavních krystalových os, jako je [100], je přibližně dána výše uvedeným vzorcem.

Tento typ defektu na rozhraní se nazývá dislokace. Protože vzniká z nesouladu mřížky (nebo chybného přizpůsobení), nazývá se chybná dislokace nebo jednoduše dislokace.

V blízkosti chybných dislokací je mřížka nedokonalá s mnoha visícími vazbami, které mohou vést k nezářivé rekombinaci elektronů a děr. Proto jsou pro výrobu vysoce kvalitních optoelektronických zařízení vyžadovány vrstvy bez dislokací.

Vznik chybných dislokací závisí na nesouladu mřížky a tloušťce narostlé epitaxní vrstvy. Pokud je nesoulad mřížky Δa/a v rozsahu -5 × 10^-3 až 5 × 10^-3, pak se v InGaAsP-InP double netvoří žádné chybné dislokace. heterostrukturní vrstvy (0,4 um tlusté) narostlé na (100) InP.

Výskyt dislokací jako funkce nesouladu mřížky pro různé tloušťky vrstev InGaAs rostoucích při 650 °C na (100) InP je znázorněn na obrázku níže.

Tento obrázek ilustrujevýskyt chybných dislokací jako funkce nesouladu mřížky pro různé tloušťky vrstev InGaAs pěstovaných pomocí LPE na (100) InP. V oblasti ohraničené plnými čarami nejsou pozorovány žádné chybné dislokace.

Jak je znázorněno na obrázku výše, plná čára představuje hranici, kde nebyly pozorovány žádné dislokace. Pro růst silných vrstev InGaAs bez dislokací je tolerovatelný nesoulad mřížky při pokojové teplotě mezi -6,5 × 10^-4 a -9 × 10^-4 .

Tento negativní nesoulad mřížky vzniká kvůli rozdílu v koeficientech tepelné roztažnosti InGaAs a InP; dokonale přizpůsobená vrstva při teplotě růstu 650 °C bude mít negativní nesoulad mřížky při pokojové teplotě.

Protože se chybné dislokace tvoří kolem růstové teploty, je pro růst vrstev bez dislokací důležité přizpůsobení mřížky při růstové teplotě.**