Viaton epitaksiaalinen kasvu ja epäsopivuushäiriöt

Virheetön epitaksiaalinen kasvu tapahtuu, kun yhdellä kidehilalla on lähes identtiset hilavakiot toisella. Kasvu tapahtuu, kun kahden hilan hilakohdat rajapinta-alueella vastaavat likimäärin, mikä on mahdollista pienellä hila-epäsopimattomuudella (alle 0,1 %). Tämä likimääräinen yhteensopivuus saavutetaan jopa joustavalla jännityksellä rajapinnassa, jossa jokainen atomi on hieman siirtynyt alkuperäisestä asemastaan ​​rajakerroksessa. Vaikka pieni määrä jännitystä on siedettävä ohuissa kerroksissa ja jopa toivottavaa kvanttikuivolasereille, kiteeseen varastoitunutta jännitysenergiaa alentaa yleensä epäsovitushäiriöiden muodostuminen, joihin liittyy puuttuva atomirivi yhdessä hilassa.

Yllä oleva kuva havainnollistaa kaaviotaepäsovitettu dislokaatio, joka muodostui epitaksiaalisen kasvun aikana kuutiotasossa (100)., jossa kahdella puolijohteella on hieman erilaiset hilavakiot. Jos a on substraatin hilavakio ja a’ = a − Δa on kasvavan kerroksen hilavakio, jokaisen puuttuvan atomirivin välinen etäisyys on noin:

L ≈ a²/Δa

Kahden hilan rajapinnassa puuttuvat atomirivit esiintyvät kahdessa kohtisuorassa suunnassa. Rivien välinen etäisyys pääkideakseleita pitkin, kuten [100], saadaan likimäärin yllä olevalla kaavalla.

Tämän tyyppistä vikaa rajapinnassa kutsutaan dislokaatioksi. Koska se johtuu hilan epäsovituksesta (tai misfit), sitä kutsutaan misfit dislokaatioksi tai yksinkertaisesti dislokaatioksi.

Epäsovitushäiriöiden läheisyydessä hila on epätäydellinen ja siinä on monia roikkuvia sidoksia, mikä voi johtaa elektronien ja reikien ei-säteilylliseen rekombinaatioon. Siksi korkealaatuisten optoelektronisten laitteiden valmistukseen tarvitaan sopimattomia sijoiltaan vapaita kerroksia.

Epäsovitettujen dislokaatioiden syntyminen riippuu hilan yhteensopimattomuudesta ja kasvatetun epitaksiaalikerroksen paksuudesta. Jos hilan yhteensopimattomuus Δa/a on välillä -5 × 10^-3 - 5 × 10^-3, InGaAsP-InP-kaksoiskappaleessa ei muodostu sopivuusvirheitä. heterorakennekerrokset (0,4 um paksu), jotka on kasvatettu (100) InP.

Dislokaatioiden esiintyminen hilan yhteensopimattomuuden funktiona eri paksuisille InGaAs-kerroksille, jotka on kasvatettu 650 °C:ssa (100) InP:llä, on esitetty alla olevassa kuvassa.

Tämä kuva havainnollistaaepäsovitushäiriöiden esiintyminen ristikon yhteensopimattomuuden funktiona LPE:llä kasvatettujen InGaAs-kerrosten eripaksuuksille (100) InP:llä. Kiinteillä viivoilla rajatulla alueella ei havaita sopivuusvirheitä.

Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, kiinteä viiva edustaa rajaa, jossa ei havaittu sijoiltaan. Paksujen dislokaatiovapaiden InGaAs-kerrosten kasvulle siedettävän huoneen lämpötilan hila-epäsopivuuden on havaittu olevan välillä -6,5 × 10^-4 ja -9 × 10^-4 .

Tämä negatiivinen hila-epäsopivuus johtuu InGaAs:n ja InP:n lämpölaajenemiskertoimien eroista; täydellisesti yhteensopivalla kerroksella 650 °C:n kasvulämpötilassa on negatiivinen huonelämpötila-hila-epäsopivuus.

Koska sopimattomat dislokaatiot muodostuvat kasvulämpötilan ympärille, hilan sovitus kasvulämpötilassa on tärkeä dislokaatiovapaiden kerrosten kasvulle.**