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GaSb衬底上生长InAs/InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉超晶格组分设置原因
前言
不同材料的晶格常数不一样,如果生长在一起就会出现晶格不匹配的情况,那么怎么才可以使其生长在一起!
1.晶格常数定义
晶格常数(Lattice Constant)是描述晶体结构中相邻两个相同格点(如原子、离子或分子)之间沿某一特定方向的最短距离。
所以不同材料 肯定不一样
2.常见材料晶格常数
GaAs:5.65 Å
AIAs: 5.66 Å
InP: 5.87 Å
InAs: 6.06 Å
GaSb:6.096 Å
InSb: 6.479 Å
3.InAs InSb晶格匹配生长
InAs和InSb的晶格常数在任何情况下都不会自然匹配,因为它们本身的晶格常数就不同。
3.1 晶格失配度 a
晶格失配度 的计算公式为:
晶格失配度 = (aInSb - aInAs) / aInAs × 100%
代入数值:
(6.4794 - 6.0583) / 6.0583 × 100% ≈ 6.95%
3.2 InAs/InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉
既然它们本身不匹配,那么在科研和工程中如何实现有效的结合呢?答案是使用 缓冲层 或 三元/四元合金。
使用三元合金 InAsxSb1-x
通过在InAs和InSb之间调节砷(As)和锑(Sb)的比例,可以生成一种晶格常数介于两者之间的三元合金
当 x = 1, 是纯 InAs,晶格常数 = 6.0583 Å。
当 x = 0, 是纯 InSb,晶格常数 = 6.4794 Å。
当 x 在 0 和 1 之间,晶格常数大致遵循 维加德定律,在两者之间线性变化。
3.2.1 确定衬底:你打算在哪种材料上生长?
InAs: 6.06 Å
GaSb:6.096 Å
InSb: 6.479 Å
GaSb的晶格常数约为6.096 Å,介于InAs和InSb之间。可以通过精确调控InAsSb的组分(x值),使其晶格常数与GaSb匹配。这是一种更常见的做法。
可以在GaSb衬底上,先生长一层晶格常数从GaSb渐变到目标晶格常数(比如某个特定组分的InAsSb)的缓冲层。这层缓冲层会吸收掉大部分的晶格失配,从而在其顶部获得一个高质量的、晶格松弛的“虚拟衬底”,然后再在这个虚拟衬底上生长高质量的InAsSb有源层。
3.2.2 怎么调整组分至晶格匹配
为了在GaSb (a≈6.096 Å) 上实现匹配,需要调节InAsxSb1-x的x值,使其晶格常数也约为6.096 Å。通过计算,这个x值大约在0.91左右
即InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉
3.3 总结
- 衬底选择:GaSb
GaSb的晶格常数约为 6.096 Å。 - 超晶格层设计:InAs 和 InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉
InAs层:其晶格常数(6.0583 Å)与GaSb衬底存在负失配(InAs晶格更小)。
InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉层:通过引入9%的Sb,将三元合金的晶格常数调整到约 6.096 Å,与GaSb衬底实现近乎完美的晶格匹配。
虽然InAs层本身与GaSb不匹配,但当它被夹在两个晶格匹配的InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉层中间时,它会受到双轴压应变。
同样,InAs₀.₉₁Sb₀.₀₉层由于与衬底匹配,处于无应变或近乎无应变状态。
通过精确控制InAs和InAsSb各层的厚度(通常只有几个纳米厚,远低于产生失配位错的临界厚度),整个超晶格结构可以赝晶地、高质量地生长在GaSb衬底上,而不会引入大量的晶体缺陷。
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