Епітаксіальний ріст без дефектів і дислокації невідповідності

Епітаксійне зростання без дефектів виникає, коли одна кристалічна решітка має майже ідентичні сталі решітки іншої. Зростання відбувається, коли вузли двох граток в області розділу приблизно збігаються, що можливо при невеликій невідповідності ґрат (менше 0,1%). Це наближене узгодження досягається навіть при пружній деформації на межі розділу, де кожен атом трохи зміщений від свого початкового положення в прикордонному шарі. У той час як невелика величина деформації допустима для тонких шарів і навіть бажана для лазерів з квантовою ямою, енергія деформації, що зберігається в кристалі, зазвичай знижується через утворення дислокацій невідповідності, які включають відсутній ряд атомів в одній решітці.

На малюнку вище показано схемудислокація невідповідності, утворена під час епітаксійного росту на кубічній (100) площині, де два напівпровідники мають дещо різні постійні гратки. Якщо a — постійна решітки підкладки, а a’ = a − Δa — постійна решітки зростаючого шару, то відстань між кожним відсутнім рядом атомів дорівнює приблизно:

L ≈ a²/Δa

На межі розділу двох решіток відсутні ряди атомів існують уздовж двох перпендикулярних напрямків. Відстань між рядами вздовж головних кристалічних осей, таких як [100], приблизно визначається за наведеною вище формулою.

Цей тип дефекту на межі розділу називається дислокацією. Оскільки він виникає через неузгодженість (або невідповідність) решітки, його називають дислокацією невідповідності або просто дислокацією.

В околицях дислокацій невідповідності решітка є недосконалою з багатьма обірваними зв’язками, що може призвести до безвипромінювальної рекомбінації електронів і дірок. Тому для якісного виготовлення оптико-електронних пристроїв необхідні бездислокаційні шари.

Генерація дислокацій невідповідності залежить від невідповідності гратки та товщини вирощеного епітаксійного шару. Якщо неузгодженість гратки Δa/a знаходиться в діапазоні від -5 × 10^-3 до 5 × 10^-3, то дислокації невідповідності в подвійному InGaAsP-InP не утворюються шари гетероструктури (товщиною 0,4 мкм), вирощені на (100) InP.

Виникнення дислокацій як функція неузгодженості решітки для різних товщин шарів InGaAs, вирощених при 650°C на (100) InP, показано на малюнку нижче.

Цей малюнок ілюструєпоява дислокацій невідповідності як функція невідповідності ґрат для різних товщин шарів InGaAs, вирощених LPE на (100) InP. В області, обмеженій суцільними лініями, дислокації невідповідності не спостерігаються.

Як показано на малюнку вище, суцільна лінія позначає межу, де дислокації не спостерігалися. Для вирощування товстих бездислокаційних шарів InGaAs допустима невідповідність гратки за кімнатної температури становить від -6,5 × 10^-4 до -9 × 10^-4 .

Ця негативна невідповідність гратки виникає через різницю в коефіцієнтах теплового розширення InGaAs та InP; ідеально підібраний шар при температурі росту 650°C матиме негативну невідповідність гратки кімнатної температури.

Оскільки дислокації невідповідності утворюються навколо температури росту, узгодження решітки при температурі росту є важливим для росту бездислокаційних шарів.**