Defektfreies epitaktisches Wachstum und Fehlanpassungsversetzungen

Defektfreies epitaktisches Wachstum tritt auf, wenn ein Kristallgitter nahezu identische Gitterkonstanten aufweist wie ein anderes. Wachstum findet statt, wenn die Gitterplätze der beiden Gitter im Grenzflächenbereich ungefähr übereinstimmen, was bei einer kleinen Gitterfehlanpassung (weniger als 0,1 %) möglich ist. Diese ungefähre Anpassung wird sogar bei elastischer Spannung an der Grenzfläche erreicht, wo jedes Atom leicht von seiner ursprünglichen Position in der Grenzschicht verschoben wird. Während für dünne Schichten eine geringe Spannung tolerierbar und für Quantentopflaser sogar wünschenswert ist, wird die im Kristall gespeicherte Spannungsenergie im Allgemeinen durch die Bildung von Fehlanpassungsversetzungen verringert, bei denen eine Reihe von Atomen in einem Gitter fehlt.

Die obige Abbildung zeigt eine schematische Darstellungeine Fehlanpassungsversetzung, die während des epitaktischen Wachstums auf einer kubischen (100)-Ebene gebildet wurde, wobei die beiden Halbleiter leicht unterschiedliche Gitterkonstanten haben. Wenn a die Gitterkonstante des Substrats und a’ = a − Δa die der wachsenden Schicht ist, beträgt der Abstand zwischen jeder fehlenden Atomreihe ungefähr:

L ≈ a²/Δa

An der Grenzfläche der beiden Gitter existieren die fehlenden Atomreihen entlang zweier senkrechter Richtungen. Der Abstand zwischen den Reihen entlang der Hauptkristallachsen, z. B. [100], wird ungefähr durch die obige Formel angegeben.

Diese Art von Defekt an der Grenzfläche wird als Luxation bezeichnet. Da sie aus der Gitterfehlanpassung (oder Fehlanpassung) entsteht, wird sie als Fehlanpassungsversetzung oder einfach als Versetzung bezeichnet.

In der Nähe von Fehlanpassungsversetzungen ist das Gitter unvollständig und weist viele freie Bindungen auf, was zu einer strahlungslosen Rekombination von Elektronen und Löchern führen kann. Daher sind für die Herstellung hochwertiger optoelektronischer Geräte Schichten ohne Fehlpassung und Versetzung erforderlich.

Die Entstehung von Fehlanpassungsversetzungen hängt von der Gitterfehlanpassung und der Dicke der gewachsenen Epitaxieschicht ab. Wenn die Gitterfehlanpassung Δa/a im Bereich von -5 × 10^-3 bis 5 × 10^-3 liegt, werden im InGaAsP-InP-Doppel keine Fehlanpassungsversetzungen gebildet Heterostrukturschichten (0,4 µm dick), aufgewachsen auf (100) InP.

Das Auftreten von Versetzungen als Funktion der Gitterfehlanpassung für unterschiedliche Dicken von InGaAs-Schichten, die bei 650 °C auf (100) InP gewachsen sind, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Diese Abbildung veranschaulichtdas Auftreten von Fehlanpassungsversetzungen als Funktion der Gitterfehlanpassung für unterschiedliche Dicken von InGaAs-Schichten, die durch LPE auf (100) InP gewachsen sind. In dem durch durchgezogene Linien begrenzten Bereich werden keine Fehlanpassungsversetzungen beobachtet.

Wie in der Abbildung oben dargestellt, stellt die durchgezogene Linie die Grenze dar, an der keine Versetzungen beobachtet wurden. Für das Wachstum dicker versetzungsfreier InGaAs-Schichten liegt die tolerierbare Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur zwischen -6,5 × 10^-4 und -9 × 10^-4 .

Diese negative Gitterfehlanpassung entsteht aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von InGaAs und InP; Eine perfekt angepasste Schicht weist bei einer Wachstumstemperatur von 650 °C eine negative Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur auf.

Da sich die Fehlanpassungsversetzungen um die Wachstumstemperatur herum bilden, ist die Gitteranpassung bei der Wachstumstemperatur wichtig für das Wachstum versetzungsfreier Schichten.**