Defektfri epitaxiell tillväxt och misspassade dislokationer

Defektfri epitaxiell tillväxt uppstår när ett kristallgitter har nästan identiska gitterkonstanter som ett annat. Tillväxt sker när gitterställena för de två gittren vid gränssnittsregionen är ungefär matchade, vilket är möjligt med en liten gittermissanpassning (mindre än 0,1%). Denna ungefärliga matchning uppnås även med elastisk töjning vid gränsytan, där varje atom är något förskjuten från sin ursprungliga position i gränsskiktet. Även om en liten mängd töjning är tolererbar för tunna lager och till och med önskvärd för kvantbrunnslasrar, sänks töjningsenergin som lagras i kristallen i allmänhet genom bildandet av felpassade dislokationer, som involverar en saknad rad av atomer i ett gitter.

Figuren ovan illustrerar ett schema överen misspassande dislokation bildad under epitaxiell tillväxt på ett kubiskt (100) plan, där de två halvledarna har något olika gitterkonstanter. Om a är gitterkonstanten för substratet och a' = a − Δa är det för det växande lagret, då är avståndet mellan varje saknad rad av atomer ungefär:

L ≈ a²/Δa

Vid gränsytan mellan de två gittren existerar de saknade raderna av atomer längs två vinkelräta riktningar. Avståndet mellan raderna längs de huvudsakliga kristallaxlarna, såsom [100], ges ungefärligen av formeln ovan.

Denna typ av defekt vid gränssnittet kallas en dislokation. Eftersom det uppstår från gallrets missanpassning (eller misspassning), kallas det en misspassande dislokation, eller helt enkelt en dislokation.

I närheten av misspassade dislokationer är gittret ofullkomligt med många dinglande bindningar, vilket kan leda till icke-strålande rekombination av elektroner och hål. För tillverkning av högkvalitativa optoelektroniska enheter krävs därför felpassade dislokationsfria lager.

Genereringen av misspassade dislokationer beror på gallerfelanpassningen och tjockleken på det epitaxiella skiktet som växer. Om gittermissanpassningen Δa/a ligger i intervallet -5 × 10^-3 till 5 × 10^-3, bildas inga felpassningsdislokationer i InGaAsP-InP dubbel heterostrukturskikt (0,4 µm tjocka) odlade på (100) InP.

Förekomsten av dislokationer som en funktion av gittermissanpassning för olika tjocklekar av InGaAs-lager odlade vid 650°C på (100) InP visas i figuren nedan.

Denna figur illustrerarförekomsten av misspassade dislokationer som en funktion av gallerfelpassning för olika tjocklekar av InGaAs-lager odlade av LPE på (100) InP. Inga misspassade dislokationer observeras i området som begränsas av heldragna linjer.

Som visas i figuren ovan representerar den heldragna linjen gränsen där inga dislokationer observerades. För tillväxten av tjocka dislokationsfria InGaAs-skikt har den tolererbara gitterfelanpassningen i rumstemperatur befunnits vara mellan -6,5 × 10^-4 och -9 × 10^-4 .

Denna negativa gittermissanpassning uppstår på grund av skillnaden i de termiska expansionskoefficienterna för InGaAs och InP; ett perfekt anpassat skikt vid tillväxttemperaturen 650°C kommer att ha en negativ rumstemperaturgittermissanpassning.

Eftersom de felaktiga dislokationerna bildas runt tillväxttemperaturen, är gittermatchning vid tillväxttemperaturen viktig för tillväxten av dislokationsfria lager.**