Crescimento epitaxial livre de defeitos e luxações desajustadas

Crescimento epitaxial sem defeitos ocorre quando uma rede cristalina tem constantes de rede quase idênticas a outra. O crescimento acontece quando os locais de rede das duas redes na região de interface são aproximadamente correspondidos, o que é possível com uma pequena incompatibilidade de rede (menos de 0,1%). Esta correspondência aproximada é alcançada mesmo com deformação elástica na interface, onde cada átomo é ligeiramente deslocado de sua posição original na camada limite. Embora uma pequena quantidade de deformação seja tolerável para camadas finas e até mesmo desejável para lasers de poços quânticos, a energia de deformação armazenada no cristal é geralmente reduzida pela formação de discordâncias desajustadas, que envolvem uma fileira faltante de átomos em uma rede.

A figura acima ilustra um esquema deum deslocamento desajustado formado durante o crescimento epitaxial em um plano cúbico (100), onde os dois semicondutores têm constantes de rede ligeiramente diferentes. Se a é a constante de rede do substrato e a’ = a − Δa é a da camada em crescimento, então o espaçamento entre cada linha faltante de átomos é aproximadamente:

eu ≈ uma²/Δa

Na interface das duas redes, as fileiras faltantes de átomos existem ao longo de duas direções perpendiculares. O espaçamento entre as linhas ao longo dos eixos principais do cristal, como [100], é aproximadamente dado pela fórmula acima.

Este tipo de defeito na interface é denominado deslocamento. Como surge da incompatibilidade da rede (ou desajuste), é chamado de deslocamento desajustado ou simplesmente deslocamento.

Nas proximidades de discordâncias desajustadas, a rede é imperfeita com muitas ligações pendentes, o que pode levar à recombinação não radiativa de elétrons e buracos. Portanto, para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos de alta qualidade, são necessárias camadas livres de deslocamentos desajustados.

A geração de luxações desajustadas depende da incompatibilidade da rede e da espessura da camada epitaxial cultivada. Se a incompatibilidade de rede Δa/a estiver no intervalo de -5 × 10^-3 a 5 × 10^-3, então nenhuma discordância desajustada será formada em InGaAsP-InP duplo camadas de heteroestrutura (0,4 µm de espessura) cultivadas em (100) InP.

A ocorrência de discordâncias em função da incompatibilidade de rede para diferentes espessuras de camadas de InGaAs cultivadas a 650°C em (100) InP é mostrada na figura abaixo.

Esta figura ilustraa ocorrência de deslocamentos desajustados em função da incompatibilidade de rede para diferentes espessuras de camadas de InGaAs cultivadas por LPE em (100) InP. Não são observadas luxações desajustadas na região delimitada por linhas sólidas.

Conforme mostrado na figura acima, a linha sólida representa o limite onde nenhum deslocamento foi observado. Para o crescimento de camadas espessas de InGaAs livres de deslocamento, a incompatibilidade tolerável da rede à temperatura ambiente está entre -6,5 × 10^-4 e -9 × 10^-4 .

Esta incompatibilidade de rede negativa surge devido à diferença nos coeficientes de expansão térmica de InGaAs e InP; uma camada perfeitamente combinada à temperatura de crescimento de 650°C terá uma incompatibilidade negativa na rede à temperatura ambiente.

Uma vez que as discordâncias desajustadas são formadas em torno da temperatura de crescimento, a correspondência da rede na temperatura de crescimento é importante para o crescimento de camadas livres de discordâncias.**