Walang Depekto na Epitaxial Growth at Misfit Dislocations

Paglago ng epitaxial na walang depekto nangyayari kapag ang isang kristal na sala-sala ay may halos magkaparehong mga lattice na pare-pareho sa isa pa. Nangyayari ang paglago kapag ang mga lattice site ng dalawang lattice sa rehiyon ng interface ay tinatayang tumugma, na posible sa isang maliit na lattice mismatch (mas mababa sa 0.1%). Ang tinatayang pagtutugma na ito ay nakakamit kahit na may nababanat na strain sa interface, kung saan ang bawat atom ay bahagyang inilipat mula sa orihinal nitong posisyon sa boundary layer. Bagama't ang isang maliit na halaga ng strain ay matitiis para sa mga manipis na layer at kahit na kanais-nais para sa mga quantum well laser, ang strain energy na nakaimbak sa kristal ay karaniwang ibinababa sa pamamagitan ng pagbuo ng mga misfit dislocations, na kinabibilangan ng isang nawawalang hilera ng mga atom sa isang sala-sala.

Ang figure sa itaas ay naglalarawan ng isang eskematiko ngisang misfit dislocation na nabuo sa panahon ng epitaxial growth sa isang cubic (100) plane, kung saan ang dalawang semiconductor ay may bahagyang magkaibang lattice constants. Kung ang a ay ang lattice constant ng substrate at ang a’ = a − Δa ay ang sa lumalagong layer, kung gayon ang espasyo sa pagitan ng bawat nawawalang hilera ng mga atom ay humigit-kumulang:

L ≈ a²/Δa

Sa interface ng dalawang sala-sala, ang mga nawawalang hilera ng mga atom ay umiiral sa dalawang patayong direksyon. Ang espasyo sa pagitan ng mga hilera sa kahabaan ng mga pangunahing kristal na palakol, gaya ng [100], ay tinatayang ibinibigay ng formula sa itaas.

Ang ganitong uri ng depekto sa interface ay tinatawag na dislokasyon. Dahil nagmumula ito sa mismatch (o misfit), tinatawag itong misfit dislocation, o simpleng dislocation.

Sa paligid ng mga misfit dislocations, ang sala-sala ay hindi perpekto sa maraming nakabitin na mga bono, na maaaring humantong sa non-radiative recombination ng mga electron at hole. Samakatuwid, para sa de-kalidad na paggawa ng optoelectronic na aparato, kinakailangan ang mga dislocation-free na layer na hindi angkop.

Ang pagbuo ng mga misfit dislocations ay depende sa sala-sala mismatch at ang kapal ng epitaxial layer na lumaki. Kung ang lattice mismatch Δa/a ay nasa hanay na -5 × 10^-3 hanggang 5 × 10^-3, walang misfit dislocations na nabuo sa InGaAsP-InP double mga heterostructure layer (0.4 µm ang kapal) na lumaki sa (100) InP.

Ang paglitaw ng mga dislokasyon bilang isang function ng lattice mismatch para sa iba't ibang kapal ng mga layer ng InGaAs na lumago sa 650°C sa (100) InP ay ipinapakita sa figure sa ibaba.

Ang figure na ito ay naglalarawanang paglitaw ng mga misfit dislocations bilang isang function ng lattice mismatch para sa iba't ibang kapal ng mga layer ng InGaAs na pinalaki ng LPE sa (100) InP. Walang mga misfit dislocations na naobserbahan sa rehiyong napapaligiran ng mga solidong linya.

Tulad ng ipinapakita sa figure sa itaas, ang solidong linya ay kumakatawan sa hangganan kung saan walang mga dislokasyon ang naobserbahan. Para sa paglaki ng makapal na dislocation-free na mga layer ng InGaAs, ang matitiis na room-temperature lattice mismatch ay matatagpuan sa pagitan ng -6.5 × 10^-4 at -9 × 10^-4 .

Ang negatibong lattice mismatch na ito ay lumitaw dahil sa pagkakaiba sa mga thermal expansion coefficient ng InGaAs at InP; ang isang perpektong tugmang layer sa temperatura ng paglago na 650°C ay magkakaroon ng negatibong room-temperature lattice mismatch.

Dahil ang mga misfit dislocation ay nabuo sa paligid ng temperatura ng paglago, ang pagtutugma ng sala-sala sa temperatura ng paglago ay mahalaga para sa paglaki ng mga layer na walang dislokasyon.**