Epitaxný rast bez defektov a chybné dislokácie

Epitaxný rast bez defektov nastáva, keď jedna kryštálová mriežka má takmer identické mriežkové konštanty ako iná. K rastu dochádza, keď sú mriežkové miesta dvoch mriežok v oblasti rozhrania približne zhodné, čo je možné s malým nesúladom mriežky (menej ako 0,1 %). Toto približné prispôsobenie sa dosiahne aj pri elastickom namáhaní na rozhraní, kde je každý atóm mierne posunutý zo svojej pôvodnej polohy v hraničnej vrstve. Zatiaľ čo malé množstvo napätia je tolerovateľné pre tenké vrstvy a dokonca žiaduce pre lasery s kvantovými vrtmi, deformačná energia uložená v kryštáli je vo všeobecnosti znížená vytváraním chybných dislokácií, ktoré zahŕňajú chýbajúci rad atómov v jednej mriežke.

Vyššie uvedený obrázok znázorňuje schémuchybná dislokácia vytvorená počas epitaxného rastu na kubickej (100) rovine, kde dva polovodiče majú mierne odlišné mriežkové konštanty. Ak a je mriežková konštanta substrátu a a' = a − Δa je konštanta rastúcej vrstvy, potom je vzdialenosť medzi každým chýbajúcim radom atómov približne:

L ≈ a²/Δa

Na rozhraní dvoch mriežok existujú chýbajúce rady atómov v dvoch kolmých smeroch. Vzdialenosť medzi radmi pozdĺž hlavných kryštálových osí, ako je [100], je približne daná vyššie uvedeným vzorcom.

Tento typ defektu na rozhraní sa nazýva dislokácia. Keďže vzniká z nesúladu mriežky (alebo nesprávneho prispôsobenia), nazýva sa to chybná dislokácia alebo jednoducho dislokácia.

V blízkosti chybných dislokácií je mriežka nedokonalá s mnohými visiacimi väzbami, čo môže viesť k nežiarivej rekombinácii elektrónov a dier. Preto sú na výrobu vysokokvalitných optoelektronických zariadení potrebné vrstvy bez dislokácie.

Generovanie chybných dislokácií závisí od nesúladu mriežky a hrúbky narastenej epitaxnej vrstvy. Ak je nesúlad mriežky Δa/a v rozsahu -5 × 10^-3 až 5 × 10^-3, potom sa v dvojitom InGaAsP-InP nevytvoria žiadne dislokácie nesúladu heteroštruktúrne vrstvy (0,4 um hrubé) pestované na (100) InP.

Výskyt dislokácií ako funkcia nesúladu mriežky pre rôzne hrúbky vrstiev InGaAs pestovaných pri 650 °C na (100) InP je znázornený na obrázku nižšie.

Tento obrázok ilustrujevýskyt chybných dislokácií ako funkcia nesúladu mriežky pre rôzne hrúbky vrstiev InGaAs pestovaných pomocou LPE na (100) InP. V oblasti ohraničenej plnými čiarami nie sú pozorované žiadne chybné dislokácie.

Ako je znázornené na obrázku vyššie, plná čiara predstavuje hranicu, kde neboli pozorované žiadne dislokácie. Pre rast hrubých vrstiev InGaAs bez dislokácií sa zistilo, že tolerovateľný nesúlad mriežky pri izbovej teplote je medzi -6,5 × 10^-4 a -9 × 10^-4 .

Tento negatívny nesúlad mriežky vzniká v dôsledku rozdielu v koeficientoch tepelnej rozťažnosti InGaAs a InP; dokonale prispôsobená vrstva pri teplote rastu 650 °C bude mať negatívny nesúlad mriežky pri izbovej teplote.

Pretože nesprávne prispôsobené dislokácie sa tvoria okolo rastovej teploty, prispôsobenie mriežky pri rastovej teplote je dôležité pre rast vrstiev bez dislokácií.**