Epitaksialna rast brez napak in neustrezne dislokacije

Epitaksialna rast brez napak se zgodi, ko ima ena kristalna mreža skoraj enake konstante druge kristalne mreže. Rast se zgodi, ko se mrežni mesti obeh mrež na območju vmesnika približno ujemata, kar je mogoče z majhnim neujemanjem rešetk (manj kot 0,1 %). To približno ujemanje je doseženo tudi z elastično deformacijo na vmesniku, kjer je vsak atom rahlo premaknjen iz prvotnega položaja v mejni plasti. Medtem ko je majhna količina deformacije sprejemljiva za tanke plasti in celo zaželena za laserje s kvantnimi vrtinami, se deformacijska energija, shranjena v kristalu, na splošno zniža zaradi tvorbe neustreznih dislokacij, ki vključujejo manjkajočo vrsto atomov v eni rešetki.

Zgornja slika ponazarja shemoneusklajena dislokacija, ki je nastala med epitaksialno rastjo na kubični (100) ravnini, kjer imata dva polprevodnika nekoliko različne konstante mreže. Če je a konstanta rešetke substrata in a’ = a − Δa konstanta rastoče plasti, potem je razmik med vsako manjkajočo vrsto atomov približno:

L ≈ a²/Δa

Na vmesniku obeh mrež manjkajoče vrste atomov obstajajo vzdolž dveh pravokotnih smeri. Razmik med vrsticami vzdolž glavnih kristalnih osi, kot je [100], je približno podan z zgornjo formulo.

To vrsto napake na vmesniku imenujemo dislokacija. Ker izhaja iz neusklajenosti (ali neskladja) mrežne mreže, se imenuje neusklajena dislokacija ali preprosto dislokacija.

V bližini neusklajenih dislokacij je mreža nepopolna s številnimi visečimi vezmi, kar lahko povzroči nesevalno rekombinacijo elektronov in lukenj. Zato so za izdelavo visokokakovostne optoelektronske naprave potrebne plasti brez dislokacij.

Generiranje neusklajenih dislokacij je odvisno od neusklajenosti rešetke in debeline nastale epitaksialne plasti. Če je neujemanje mreže Δa/a v območju od -5 × 10^-3 do 5 × 10^-3, potem v dvojniku InGaAsP-InP ne nastanejo dislokacije neusklajenosti heterostrukturne plasti (debeline 0,4 µm), zrasle na (100) InP.

Pojav dislokacij kot funkcija neusklajenosti mreže za različne debeline plasti InGaAs, gojenih pri 650 °C na (100) InP, je prikazan na spodnji sliki.

Ta slika ponazarjapojav neusklajenih dislokacij kot funkcije neusklajenosti mreže za različne debeline plasti InGaAs, vzgojenih z LPE na (100) InP. V območju, ki ga omejujejo polne črte, ni opaziti dislokacij neustreznosti.

Kot je prikazano na zgornji sliki, polna črta predstavlja mejo, kjer niso opazili dislokacij. Za rast debelih plasti InGaAs brez dislokacij je ugotovljeno, da je sprejemljivo neskladje mreže pri sobni temperaturi med -6,5 × 10^-4 in -9 × 10^-4 .

To negativno neskladje mreže nastane zaradi razlike v koeficientih toplotnega raztezanja InGaAs in InP; popolnoma usklajena plast pri temperaturi rasti 650 °C bo imela negativno neusklajenost rešetke pri sobni temperaturi.

Ker se neusklajene dislokacije oblikujejo okoli temperature rasti, je ujemanje mreže pri temperaturi rasti pomembno za rast plasti brez dislokacij.**