Defectvrije epitaxiale groei en misfit-dislocaties

Defectvrije epitaxiale groei treedt op wanneer het ene kristalrooster vrijwel identieke roosterconstanten heeft als het andere. Groei vindt plaats wanneer roosterlocaties van de twee roosters in het grensvlakgebied ongeveer overeenkomen, wat mogelijk is met een kleine roostermismatch (minder dan 0,1%). Deze benaderende aanpassing wordt zelfs bereikt met elastische spanning op het grensvlak, waar elk atoom enigszins wordt verplaatst ten opzichte van zijn oorspronkelijke positie in de grenslaag. Hoewel een kleine hoeveelheid spanning aanvaardbaar is voor dunne lagen en zelfs wenselijk is voor kwantumputlasers, wordt de in het kristal opgeslagen spanningsenergie over het algemeen verlaagd door de vorming van misfit-dislocaties, waarbij een ontbrekende rij atomen in één rooster betrokken is.

De bovenstaande figuur illustreert een schematisch voorbeeld vaneen misfit-dislocatie gevormd tijdens epitaxiale groei op een kubisch (100) vlak, waarbij de twee halfgeleiders enigszins verschillende roosterconstanten hebben. Als a de roosterconstante van het substraat is en a’ = a − Δa die van de groeiende laag, dan is de afstand tussen elke ontbrekende rij atomen ongeveer:

L ≈ a²/Δa

Op het grensvlak van de twee roosters bevinden zich de ontbrekende rijen atomen langs twee loodrechte richtingen. De afstand tussen rijen langs de belangrijkste kristalassen, zoals [100], wordt bij benadering gegeven door de bovenstaande formule.

Dit type defect op het grensvlak wordt een dislocatie genoemd. Omdat het voortkomt uit de mismatch van het rooster (of misfit), wordt het een misfit-dislocatie genoemd, of eenvoudigweg een dislocatie.

In de buurt van buitenbeentjesdislocaties is het rooster onvolmaakt met veel bungelende bindingen, wat kan leiden tot niet-stralingsrecombinatie van elektronen en gaten. Daarom zijn voor de fabricage van opto-elektronische apparaten van hoge kwaliteit misfit-dislocatievrije lagen vereist.

Het genereren van misfit-dislocaties hangt af van de mismatch van het rooster en de dikte van de gegroeide epitaxiale laag. Als de roostermismatch Δa/a in het bereik van -5 × 10^-3 tot 5 × 10^-3 ligt, worden er geen misfit-dislocaties gevormd in InGaAsP-InP dubbele heterostructuurlagen (0,4 µm dik) gegroeid op (100) InP.

Het optreden van dislocaties als functie van roostermismatch voor verschillende diktes van InGaAs-lagen gegroeid bij 650°C op (100) InP wordt weergegeven in de onderstaande figuur.

Deze figuur illustreerthet optreden van misfit-dislocaties als functie van roostermismatch voor verschillende diktes van InGaAs-lagen gegroeid door LPE op (100) InP. Er worden geen buitenbeentje-dislocaties waargenomen in het gebied dat wordt begrensd door ononderbroken lijnen.

Zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding, vertegenwoordigt de ononderbroken lijn de grens waar geen dislocaties werden waargenomen. Voor de groei van dikke dislocatievrije InGaAs-lagen blijkt de aanvaardbare roostermismatch bij kamertemperatuur tussen -6,5 × 10^-4 en -9 × 10^-4 te liggen. .

Deze negatieve roostermismatch ontstaat vanwege het verschil in de thermische uitzettingscoëfficiënten van InGaAs en InP; een perfect op elkaar afgestemde laag bij een groeitemperatuur van 650°C zal een negatieve roostermismatch bij kamertemperatuur hebben.

Omdat de misfit-dislocaties rond de groeitemperatuur worden gevormd, is roosteraanpassing bij de groeitemperatuur belangrijk voor de groei van dislocatievrije lagen.**