Be defektų epitaksinis augimas ir netinkami išnirimai

Epitaksinis augimas be defektų įvyksta, kai viena kristalinė gardelė turi beveik identiškas gardelės konstantas kitai. Augimas įvyksta, kai dviejų gardelių gardelės sąsajos srityje yra maždaug suderintos, o tai įmanoma esant nedideliam gardelės neatitikimui (mažiau nei 0,1 %). Šis apytikslis atitikimas pasiekiamas net esant elastinei deformacijai sąsajoje, kur kiekvienas atomas yra šiek tiek pasislinkęs iš pradinės padėties ribiniame sluoksnyje. Nors nedidelis įtempimo kiekis yra toleruojamas ploniems sluoksniams ir netgi pageidautinas kvantinių šulinių lazeriams, kristale sukaupta deformacijos energija paprastai sumažėja dėl netinkamų dislokacijų susidarymo, dėl kurių vienoje gardelėje trūksta atomų.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta schemanetinkamas išnirimas, susidaręs epitaksinio augimo metu kubinėje (100) plokštumoje, kur du puslaidininkiai turi šiek tiek skirtingas gardelės konstantas. Jei a yra substrato gardelės konstanta, o a’ = a − Δa yra augančio sluoksnio konstanta, tada atstumas tarp kiekvienos trūkstamos atomų eilės yra apytikslis:

L ≈ a²/Δa

Dviejų gardelių sąsajoje trūkstamos atomų eilės egzistuoja dviem statmenomis kryptimis. Atstumas tarp eilučių išilgai pagrindinių kristalų ašių, pvz., [100], apytiksliai apskaičiuojamas pagal aukščiau pateiktą formulę.

Šio tipo sąsajos defektas vadinamas dislokacija. Kadangi jis atsiranda dėl gardelės neatitikimo (arba netinkamo pritaikymo), jis vadinamas netinkamo pritaikymo dislokacija arba tiesiog dislokacija.

Netoli netinkamų išnirimų grotelės yra netobulos su daugybe kabančių jungčių, dėl kurių gali atsirasti neradiacinė elektronų ir skylių rekombinacija. Todėl aukštos kokybės optoelektroninių prietaisų gamybai reikalingi netinkami sluoksniai be išnirimų.

Netinkamų išnirimų atsiradimas priklauso nuo gardelės neatitikimo ir išauginto epitaksinio sluoksnio storio. Jei gardelės neatitikimas Δa/a yra intervale nuo -5 × 10^-3 iki 5 × 10^-3, tada InGaAsP-InP dviguboje nesutapimo dislokacijų nesusidaro heterostruktūriniai sluoksniai (0,4 µm storio), auginami ant (100) InP.

Dislokacijų atsiradimas kaip gardelės neatitikimo funkcija skirtingo storio InGaAs sluoksniams, auginamiems 650 ° C temperatūroje ant (100) InP, parodytas toliau pateiktame paveikslėlyje.

Šis paveikslas iliustruojanetinkamo pritaikymo dislokacijų atsiradimas kaip gardelės neatitikimo funkcija skirtingo storio InGaAs sluoksniams, auginamiems LPE ant (100) InP. Ištisinėmis linijomis apribotoje srityje nepastebėta jokių netinkamų dislokacijų.

Kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje, ištisinė linija žymi ribą, kurioje nepastebėta jokių dislokacijų. Nustatyta, kad storiems InGaAs sluoksniams be dislokacijos augti toleruotinas kambario temperatūros gardelės neatitikimas yra nuo -6,5 × 10^-4 iki -9 × 10^-4 .

Šis neigiamas gardelės neatitikimas atsiranda dėl InGaAs ir InP šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumo; idealiai suderintas sluoksnis, esant 650°C augimo temperatūrai, turės neigiamą kambario temperatūros gardelės neatitikimą.

Kadangi netinkami išnirimai susidaro aplink augimo temperatūrą, gardelės atitikimas augimo temperatūroje yra svarbus sluoksnių be išnirimų augimui.**