欠陥のないエピタキシャル成長とミスフィット転位

無欠陥エピタキシャル成長 ある結晶格子の格子定数が他の結晶格子とほぼ同じである場合に発生します。。成長は、界面領域の 2 つの格子の格子サイトがほぼ一致するときに発生します。これは、小さな格子不一致 (0.1% 未満) で可能です。この近似一致は、各原子が境界層内の元の位置からわずかにずれている界面での弾性歪みがあっても達成されます。少量のひずみは薄層では許容可能であり、量子井戸レーザーにとっては望ましいものですらありますが、結晶に蓄えられるひずみエネルギーは一般に、1 つの格子内の原子列の欠落を伴うミスフィット転位の形成によって低下します。

上の図は、立方体（100）面上でのエピタキシャル成長中に形成されるミスフィット転位、ここで 2 つの半導体の格子定数はわずかに異なります。 a が基板の格子定数、a’ = a − Δa が成長層の格子定数である場合、欠落した各原子列の間隔はおよそ次のようになります。

L ≈ a²/Δa

2 つの格子の境界面では、失われた原子の列が 2 つの直交方向に沿って存在します。 [100] などの主結晶軸に沿った行間の間隔は、上記の式で近似的に求められます。

界面におけるこの種の欠陥は転位と呼ばれます。格子の不整合（またはミスフィット）によって生じるため、ミスフィット転位、または単に転位と呼ばれます。

ミスフィット転位の近くでは、格子が不完全で多くのダングリングボンドが存在し、電子と正孔の非発光再結合が起こる可能性があります。したがって、高品質の光電子デバイスの製造には、ミスフィット無転位層が必要です。

ミスフィット転位の発生は、格子不整合と成長するエピタキシャル層の厚さに依存します。格子不整合 Δa/a が -5 × 10^-3 から 5 × 10^-3 の範囲にある場合、InGaAsP-InP 二重構造ではミスフィット転位は形成されません。 (100) InP 上に成長したヘテロ構造層 (厚さ 0.4 μm)。

(100) InP 上に 650°C で成長させた InGaAs 層のさまざまな厚さに対する格子不整合の関数としての転位の発生を以下の図に示します。

この図は、(100) InP 上に LPE によって成長させた InGaAs 層の異なる厚さに対する格子不整合の関数としてのミスフィット転位の発生。実線で囲まれた領域にはミスフィット転位は観察されない。

上図に示すように、実線は転位が観察されなかった境界を示しています。厚い無転位 InGaAs 層の成長では、許容可能な室温格子不整合は -6.5 × 10^-4 と -9 × 10^-4 の間であることがわかります。 。

この負の格子不整合は、InGaAs と InP の熱膨張係数の違いにより発生します。 650℃の成長温度で完全に整合した層は、室温では負の格子不整合を持ちます。

ミスフィット転位は成長温度付近で形成されるため、無転位層の成長には成長温度での格子整合が重要です。**