Kusursuz Epitaksiyel Büyüme ve Uyumsuz Çıkıklar

Kusursuz epitaksiyel büyüme bir kristal kafesin diğerine neredeyse aynı kafes sabitlerine sahip olması durumunda ortaya çıkar. Büyüme, arayüz bölgesindeki iki kafesin kafes bölgeleri yaklaşık olarak eşleştiğinde gerçekleşir; bu, küçük bir kafes uyumsuzluğuyla (%0,1'den az) mümkündür. Bu yaklaşık eşleşme, her atomun sınır tabakasındaki orijinal konumundan hafifçe yer değiştirdiği arayüzdeki elastik gerinim ile bile elde edilir. İnce katmanlar için az miktarda gerilim tolere edilebilir ve hatta kuantum kuyusu lazerleri için arzu edilir olsa da, kristalde depolanan gerilim enerjisi genellikle bir kafeste eksik bir atom sırası içeren uyumsuz dislokasyonların oluşmasıyla azaltılır.

Yukarıdaki şekil bir şemayı göstermektedirkübik (100) düzlemde epitaksiyel büyüme sırasında oluşan uyumsuz dislokasyonburada iki yarı iletken biraz farklı kafes sabitlerine sahiptir. Eğer a substratın kafes sabiti ise ve a’ = a − Δa büyüyen katmanın sabiti ise, o zaman her bir eksik atom sırası arasındaki mesafe yaklaşık olarak şöyle olur:

L ≈ a²/Δa

İki kafesin arayüzünde, eksik atom sıraları iki dik yön boyunca bulunur. Ana kristal eksenleri boyunca sıralar arasındaki mesafe, örneğin [100], yukarıdaki formülle yaklaşık olarak verilmektedir.

Arayüzdeki bu tür kusurlara dislokasyon denir. Kafes uyumsuzluğundan (veya uyumsuzluğundan) kaynaklandığı için buna uyumsuz dislokasyon veya basitçe dislokasyon denir.

Uyumsuz dislokasyonların yakınında, kafes birçok sarkan bağ nedeniyle kusurludur ve bu da elektronların ve deliklerin ışınımsız rekombinasyonuna yol açabilir. Bu nedenle, yüksek kaliteli optoelektronik cihaz üretimi için uyumsuz, dislokasyon içermeyen katmanlar gereklidir.

Uyumsuz dislokasyonların oluşumu kafes uyumsuzluğuna ve büyüyen epitaksiyel tabakanın kalınlığına bağlıdır. Kafes uyumsuzluğu Δa/a -5 × 10^-3 ile 5 × 10^-3 aralığındaysa InGaAsP-InP double'da uyumsuz dislokasyonlar oluşmaz (100) InP üzerinde büyütülmüş heteroyapı katmanları (0,4 um kalınlığında).

(100) InP'de 650°C'de büyütülen InGaAs katmanlarının farklı kalınlıkları için kafes uyumsuzluğunun bir fonksiyonu olarak dislokasyonların meydana gelmesi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Bu şekil şunu göstermektedir:(100) InP üzerinde LPE tarafından büyütülen farklı kalınlıklardaki InGaAs katmanları için kafes uyumsuzluğunun bir fonksiyonu olarak uyumsuz dislokasyonların ortaya çıkması. Kesintisiz çizgilerle sınırlanan bölgede herhangi bir uyumsuz çıkık gözlenmez.

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi düz çizgi, hiçbir dislokasyonun gözlemlenmediği sınırı temsil eder. Kalın, dislokasyonsuz InGaAs katmanlarının büyümesi için, tolere edilebilir oda sıcaklığı kafes uyumsuzluğunun -6,5 × 10^-4 ile -9 × 10^-4 arasında olduğu bulunmuştur. .

Bu negatif kafes uyumsuzluğu, InGaAs ve InP'nin termal genleşme katsayılarındaki farklılık nedeniyle ortaya çıkar; 650°C'lik büyüme sıcaklığında mükemmel şekilde eşleşen bir katman, negatif oda sıcaklığı kafes uyumsuzluğuna sahip olacaktır.

Uyumsuz dislokasyonlar büyüme sıcaklığı etrafında oluştuğundan, büyüme sıcaklığındaki kafes uyumu dislokasyonsuz katmanların büyümesi için önemlidir.**