Crescita epitassiale priva di difetti e lussazioni disadattate

Crescita epitassiale priva di difetti si verifica quando un reticolo cristallino ha costanti reticolari quasi identiche a un altro. La crescita avviene quando i siti reticolari dei due reticoli nella regione dell'interfaccia sono approssimativamente corrispondenti, il che è possibile con un piccolo disadattamento reticolare (meno dello 0,1%). Questo adattamento approssimativo si ottiene anche con la deformazione elastica all'interfaccia, dove ciascun atomo è leggermente spostato dalla sua posizione originale nello strato limite. Mentre una piccola quantità di deformazione è tollerabile per strati sottili e persino desiderabile per i laser a pozzo quantico, l’energia di deformazione immagazzinata nel cristallo è generalmente ridotta dalla formazione di dislocazioni disadattate, che coinvolgono una fila mancante di atomi in un reticolo.

La figura sopra illustra uno schema diuna dislocazione disadattata formata durante la crescita epitassiale su un piano cubico (100)., dove i due semiconduttori hanno costanti reticolari leggermente diverse. Se a è la costante reticolare del substrato e a’ = a − Δa è quella dello strato in crescita, allora la spaziatura tra ciascuna riga di atomi mancante è approssimativamente:

L ≈ a²/Δa

All'interfaccia dei due reticoli, le file di atomi mancanti esistono lungo due direzioni perpendicolari. La spaziatura tra le file lungo gli assi principali del cristallo, come [100], è approssimativamente data dalla formula sopra.

Questo tipo di difetto all'interfaccia è chiamato dislocazione. Poiché deriva dal disadattamento (o disadattamento) del reticolo, è chiamata dislocazione disadattata o semplicemente dislocazione.

In prossimità di dislocazioni disadattate, il reticolo è imperfetto con molti legami pendenti, che possono portare alla ricombinazione non radiativa di elettroni e lacune. Pertanto, per la fabbricazione di dispositivi optoelettronici di alta qualità, sono necessari strati privi di dislocazioni disadattate.

La generazione di dislocazioni disadattate dipende dal disadattamento del reticolo e dallo spessore dello strato epitassiale cresciuto. Se il disadattamento reticolare Δa/a è compreso tra -5 × 10^-3 e 5 × 10^-3, allora non si formano dislocazioni disadattate nel doppio InGaAsP-InP strati di eterostruttura (spessore 0,4 µm) cresciuti su (100) InP.

Il verificarsi di dislocazioni in funzione del disadattamento reticolare per diversi spessori di strati di InGaAs cresciuti a 650°C su (100) InP è mostrato nella figura seguente.

Questa figura illustrail verificarsi di dislocazioni disadattate in funzione del disadattamento reticolare per diversi spessori di strati di InGaAs cresciuti mediante LPE su (100) InP. Non si osservano dislocazioni disadattate nella regione delimitata da linee continue.

Come mostrato nella figura sopra, la linea continua rappresenta il confine dove non sono state osservate dislocazioni. Per la crescita di strati spessi di InGaAs privi di dislocazioni, il disadattamento tollerabile del reticolo a temperatura ambiente risulta essere compreso tra -6,5 × 10^-4 e -9 × 10^-4 .

Questo disadattamento reticolare negativo deriva dalla differenza nei coefficienti di dilatazione termica di InGaAs e InP; uno strato perfettamente abbinato alla temperatura di crescita di 650°C avrà un disadattamento reticolare negativo a temperatura ambiente.

Poiché le dislocazioni disadattate si formano intorno alla temperatura di crescita, l'adattamento del reticolo alla temperatura di crescita è importante per la crescita di strati privi di dislocazioni.**