Бездефектный эпитаксиальный рост и дислокации несоответствия

Бездефектный эпитаксиальный рост происходит, когда одна кристаллическая решетка имеет почти идентичные постоянные решетки другой. Рост происходит при приблизительном совпадении узлов двух решеток в интерфейсной области, что возможно при небольшом несовпадении решеток (менее 0,1%). Такое приближенное согласование достигается даже при упругой деформации на границе раздела, где каждый атом слегка смещается от исходного положения в пограничном слое. Хотя небольшая деформация допустима для тонких слоев и даже желательна для лазеров с квантовыми ямами, энергия деформации, запасенная в кристалле, обычно снижается из-за образования дислокаций несоответствия, которые включают недостающий ряд атомов в одной решетке.

На рисунке выше показана схемадислокация несоответствия, образовавшаяся при эпитаксиальном росте на кубической (100) плоскости, где два полупроводника имеют немного разные постоянные решетки. Если a — постоянная решетки подложки, а a’ = a − Δa — постоянная решетки растущего слоя, то расстояние между каждым недостающим рядом атомов составляет приблизительно:

L ≈ a²/Δa

На границе раздела двух решеток недостающие ряды атомов существуют в двух перпендикулярных направлениях. Расстояние между рядами вдоль главных осей кристалла, например [100], приближенно определяется приведенной выше формулой.

Этот тип дефекта на границе раздела называется дислокацией. Поскольку она возникает из-за несоответствия (или несоответствия) решеток, ее называют дислокацией несоответствия или просто дислокацией.

Вблизи дислокаций несоответствия решетка несовершенна с множеством оборванных связей, что может привести к безызлучательной рекомбинации электронов и дырок. Поэтому для изготовления качественных оптоэлектронных устройств необходимы бездислокационные слои несоответствия.

Генерация дислокаций несоответствия зависит от несоответствия решеток и толщины выращиваемого эпитаксиального слоя. Если рассогласование решеток Δa/a находится в диапазоне от -5 × 10^-3 до 5 × 10^-3, то в двойном InGaAsP-InP дислокации несоответствия не образуются. Слои гетероструктуры (толщиной 0,4 мкм), выращенные на (100) InP.

Возникновение дислокаций в зависимости от несоответствия решеток для слоев InGaAs различной толщины, выращенных при 650◦C на (100) InP, показано на рисунке ниже.

Этот рисунок иллюстрируетвозникновение дислокаций несоответствия в зависимости от несоответствия решеток для слоев InGaAs различной толщины, выращенных методом ЖФЭ на (100) InP. В области, ограниченной сплошными линиями, дислокации несоответствия не наблюдаются.

Как показано на рисунке выше, сплошная линия представляет собой границу, на которой дислокации не наблюдались. Установлено, что для выращивания толстых бездислокационных слоев InGaAs допустимое рассогласование решетки при комнатной температуре составляет от -6,5 × 10^-4 до -9 × 10^-4. .

Это отрицательное рассогласование решеток возникает из-за разницы в коэффициентах теплового расширения InGaAs и InP; идеально согласованный слой при температуре роста 650°C будет иметь отрицательное несоответствие решетки при комнатной температуре.

Поскольку дислокации несоответствия образуются вблизи температуры роста, согласование решетки при температуре роста важно для роста бездислокационных слоев.**