Pertumbuhan Epitaksi Bebas Cacat dan Dislokasi Ketidaksesuaian

Pertumbuhan epitaksi bebas cacat terjadi ketika satu kisi kristal mempunyai konstanta kisi yang hampir sama dengan kisi kristal lainnya. Pertumbuhan terjadi ketika lokasi kisi dari dua kisi pada wilayah antarmuka kira-kira sama, hal ini mungkin terjadi jika terdapat ketidaksesuaian kisi yang kecil (kurang dari 0,1%). Perkiraan pencocokan ini dicapai bahkan dengan regangan elastis pada antarmuka, di mana setiap atom sedikit bergeser dari posisi aslinya pada lapisan batas. Meskipun sejumlah kecil regangan dapat ditoleransi untuk lapisan tipis dan bahkan diinginkan untuk laser sumur kuantum, energi regangan yang disimpan dalam kristal umumnya diturunkan dengan pembentukan dislokasi ketidakcocokan, yang melibatkan hilangnya deretan atom dalam satu kisi.

Gambar di atas mengilustrasikan skemadislokasi ketidakcocokan yang terbentuk selama pertumbuhan epitaksial pada bidang kubik (100)., dimana kedua semikonduktor memiliki konstanta kisi yang sedikit berbeda. Jika a adalah konstanta kisi substrat dan a’ = a − Δa adalah lapisan yang sedang tumbuh, maka jarak antar baris atom yang hilang adalah kira-kira:

L ≈ a²/Δa

Pada antarmuka dua kisi, deretan atom yang hilang berada pada dua arah tegak lurus. Jarak antar baris sepanjang sumbu kristal utama, seperti [100], kira-kira diberikan oleh rumus di atas.

Jenis cacat pada antarmuka ini disebut dislokasi. Karena timbul dari ketidaksesuaian kisi (atau ketidaksesuaian), maka disebut dislokasi ketidakcocokan, atau sekadar dislokasi.

Di sekitar dislokasi yang tidak sesuai, kisi-kisinya tidak sempurna dengan banyak ikatan yang menjuntai, yang dapat menyebabkan rekombinasi elektron dan lubang non-radiatif. Oleh karena itu, untuk fabrikasi perangkat optoelektronik berkualitas tinggi, diperlukan lapisan bebas dislokasi yang tidak sesuai.

Timbulnya dislokasi misfit bergantung pada ketidaksesuaian kisi dan ketebalan lapisan epitaksial yang tumbuh. Jika ketidaksesuaian kisi Δa/a berada pada rentang -5 × 10^-3 hingga 5 × 10^-3, maka tidak terbentuk dislokasi ketidaksesuaian pada rangkap InGaAsP-InP lapisan heterostruktur (tebal 0,4 µm) ditumbuhkan pada (100) InP.

Terjadinya dislokasi sebagai fungsi ketidaksesuaian kisi untuk perbedaan ketebalan lapisan InGaAs yang ditumbuhkan pada 650°C pada (100) InP ditunjukkan pada gambar di bawah.

Gambar ini menggambarkanterjadinya dislokasi misfit sebagai fungsi dari ketidaksesuaian kisi untuk ketebalan lapisan InGaAs yang berbeda yang ditumbuhkan oleh LPE pada (100) InP. Tidak ada dislokasi misfit yang teramati pada daerah yang dibatasi oleh garis padat.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, garis padat mewakili batas di mana tidak ada dislokasi yang teramati. Untuk pertumbuhan lapisan InGaAs tebal bebas dislokasi, ketidakcocokan kisi suhu ruangan yang dapat ditoleransi adalah antara -6,5 × 10^-4 dan -9 × 10^-4 .

Ketidaksesuaian kisi negatif ini muncul karena perbedaan koefisien muai panas InGaAs dan InP; lapisan yang sangat cocok pada suhu pertumbuhan 650°C akan memiliki ketidakcocokan kisi suhu kamar yang negatif.

Karena dislokasi ketidakcocokan terbentuk di sekitar suhu pertumbuhan, pencocokan kisi pada suhu pertumbuhan penting untuk pertumbuhan lapisan bebas dislokasi.**