Επιταξιακή ανάπτυξη και εξαρθρήματα χωρίς ελαττώματα

Επιταξιακή ανάπτυξη χωρίς ελαττώματα συμβαίνει όταν ένα κρυσταλλικό πλέγμα έχει σχεδόν ίδιες σταθερές πλέγματος με ένα άλλο. Η ανάπτυξη συμβαίνει όταν οι θέσεις πλέγματος των δύο πλεγμάτων στην περιοχή διεπαφής ταιριάζουν κατά προσέγγιση, κάτι που είναι δυνατό με μια μικρή αναντιστοιχία πλέγματος (λιγότερο από 0,1%). Αυτή η κατά προσέγγιση ταύτιση επιτυγχάνεται ακόμη και με ελαστική τάση στη διεπιφάνεια, όπου κάθε άτομο μετατοπίζεται ελαφρώς από την αρχική του θέση στο οριακό στρώμα. Ενώ μια μικρή ποσότητα καταπόνησης είναι ανεκτή για λεπτά στρώματα και ακόμη και επιθυμητή για λέιζερ κβαντικών φρεατίων, η ενέργεια καταπόνησης που αποθηκεύεται στον κρύσταλλο γενικά μειώνεται από το σχηματισμό ακατάλληλων εξαρθρώσεων, που περιλαμβάνουν μια σειρά ατόμων που λείπει σε ένα πλέγμα.

Το παραπάνω σχήμα απεικονίζει ένα σχηματικό τουμια ακατάλληλη εξάρθρωση που σχηματίζεται κατά την επιταξιακή ανάπτυξη σε ένα κυβικό (100) επίπεδο, όπου οι δύο ημιαγωγοί έχουν ελαφρώς διαφορετικές σταθερές πλέγματος. Αν a είναι η σταθερά του πλέγματος του υποστρώματος και a’ = a − Δa είναι αυτή του αναπτυσσόμενου στρώματος, τότε η απόσταση μεταξύ κάθε σειράς ατόμων που λείπει είναι περίπου:

L ≈ a²/Δa

Στη διεπαφή των δύο δικτυωμάτων, οι σειρές ατόμων που λείπουν υπάρχουν κατά μήκος δύο κάθετων κατευθύνσεων. Η απόσταση μεταξύ των σειρών κατά μήκος των κύριων αξόνων κρυστάλλου, όπως το [100], δίνεται κατά προσέγγιση από τον παραπάνω τύπο.

Αυτός ο τύπος ελαττώματος στη διεπαφή ονομάζεται εξάρθρωση. Δεδομένου ότι προκύπτει από την ασυμφωνία (ή ασυμφωνία) του πλέγματος, ονομάζεται εξάρθρωση κακής προσαρμογής ή απλά εξάρθρωση.

Στην περιοχή των ακατάλληλων εξαρθρώσεων, το πλέγμα είναι ατελές με πολλούς δεσμούς που κρέμονται, οι οποίοι μπορούν να οδηγήσουν σε μη ακτινοβόλο ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων και οπών. Επομένως, για την κατασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ποιότητας, απαιτούνται στρώματα χωρίς εξάρθρωση ακατάλληλα.

Η δημιουργία ακατάλληλων εξαρθρώσεων εξαρτάται από την αναντιστοιχία του πλέγματος και το πάχος του επιταξιακού στρώματος που αναπτύσσεται. Εάν η αναντιστοιχία του πλέγματος Δa/a είναι στην περιοχή από -5 × 10^-3 έως 5 × 10^-3, τότε δεν σχηματίζονται εξάρσεις ακατάλληλης προσαρμογής στο διπλό InGaAsP-InP στρώματα ετεροδομής (0,4 μm πάχους) που αναπτύχθηκαν σε (100) InP.

Η εμφάνιση εξαρθρώσεων ως συνάρτηση της αναντιστοιχίας του πλέγματος για διαφορετικά πάχη στρωμάτων InGaAs που αναπτύσσονται στους 650°C σε (100) InP φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Αυτό το σχήμα δείχνειη εμφάνιση ακατάλληλων εξαρθρώσεων ως συνάρτηση της αναντιστοιχίας πλέγματος για διαφορετικά πάχη στρωμάτων InGaAs που αναπτύσσονται με LPE σε (100) InP. Δεν παρατηρούνται ακατάλληλα εξαρθρήματα στην περιοχή που οριοθετείται από συμπαγείς γραμμές.

Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, η συμπαγής γραμμή αντιπροσωπεύει το όριο όπου δεν παρατηρήθηκαν εξάρσεις. Για την ανάπτυξη παχιών στρωμάτων InGaAs χωρίς εξάρθρωση, η ανεκτή αναντιστοιχία πλέγματος θερμοκρασίας δωματίου βρίσκεται μεταξύ -6,5 × 10^-4 και -9 × 10^-4 .

Αυτή η αρνητική αναντιστοιχία πλέγματος προκύπτει λόγω της διαφοράς στους συντελεστές θερμικής διαστολής των InGaAs και InP. ένα απόλυτα προσαρμοσμένο στρώμα σε θερμοκρασία ανάπτυξης 650°C θα έχει αρνητική αναντιστοιχία πλέγματος θερμοκρασίας δωματίου.

Δεδομένου ότι οι ακατάλληλες εξαρθρώσεις σχηματίζονται γύρω από τη θερμοκρασία ανάπτυξης, το ταίριασμα του πλέγματος στη θερμοκρασία ανάπτυξης είναι σημαντικό για την ανάπτυξη στρωμάτων χωρίς εξάρθρωση.**