Como se viu na secção 2.7 e de uma forma geral, no crescimento heteroepitaxial, um meio de relaxar a tensão interna desenvolvida entre a camada depositada e o substrato, é a formação de deslocações. As deslocações podem não terminar dentro do cristal; uma deslocação de desajuste pode mover-se através da orla do substrato, ter segmentos que abrem caminho até à superfície da camada (deslocações de desajuste em parafuso —“threading”) ou deslocar-se através do substrato. Enquanto as deslocações de desajuste, completamente circunscritas à interface filme/camada, não são necessariamente destrutivas, as deslocações em parafuso são indesejáveis na superfície das camadas dado que migram para os dispositivos implantados. Uma deslocação em parafuso é definida como qualquer deslocação com uma
componente na direcção paralela à direcção de crescimento. Deste modo, a densidade de deslocações em parafuso ? é uma função da posição z na camada. Tecnicamente, o mais TD importante é o valor de? na superfície da camada, dado que as deslocações em parafuso TD serão replicadas em qualquer camada subsequente.
A grandeza ? pode ser medida por Microscopia Electrónica de Transmissão ao longo TD e no plano perpendicular ao eixo de crescimento (“Cross-Section e Plan-View Transmission Electron Microscopy”), por contagem de marcas de cauterização ( “Etch Pit Density”, EPD), por difracção de raios X (“Double-Crystal X-Ray Diffraction”, DCXRD), EBIC (“Electron Beam Induced Current”) e por fotoluminescência microscópica (“Photoluminescence Microscopy”, PLM). Nenhuma destas técnicas pode ser utilizada durante o crescimento, não permitindo o controlo das superfícies em tempo real. Com o método “Plan-View TEM” é possível contar o número de deslocações numa determinada área e traduzi- lo directamente numa medida de ? (z = 0). Com este método não é possível medir densidade de deslocações TD abaixo de 105 cm-2. Com o método “Cross-section TEM”, não é possível medir valores de
TD
? inferiores a 107
cm-2; no entanto, com esta técnica é possível estimar ? em função da TD posição na camada, isto é, ? (z). Em estudos de marcas de cauterização (“etch pit”) a TD superfície das amostras é atacada quimicamente por um reagente sensível à deformação. Os pontos onde a deslocação encontra a superfície é preferencialmente atacada, deixando uma marca. Contando o número de marcas numa área, encontra-se a medida de ?TD(z = 0). Este método é inconveniente para densidades ?TD maiores que 108 cm-2. A difracção dos raios X pode também ser utilizada para medir?TD. A técnica XRT (“X-Ray Topography”) é utilizada para medir densidades directamente no intervalo de 102 cm-2 – 107 cm-2 e a técnica DCXRD é utilizada para estimar densidades relativamente elevadas, da ordem de grandeza de ? ~ 10TD 6 cm-2 e superior. Como os raios X que contribuem para um pico DCXRD chegam de um todo da camada, estas medidas dão um valor médio de? . TD
Nesta secção, o objectivo é medir a densidade de deslocações (DD) na superfície de um conjunto de amostras de CdTe/GaAs de espessura entre 0.3-25 ?m. Para comparação é também medida a densidade de deslocações na camada de 25 ?m onde são efectuados sucessivos desgastes químicos.
No cálculo da densidade de deslocações (DD) é utilizada a expressão (Gay 1953):
?
?
2 2 2 9b B A DD? ? . (8.1)A, representa a largura a meia-altura da curva (em radianos); B, a largura a meia-altura sem
quaisquer deslocações; b, a componente do vector de Burger.
8.4.1 Resultados Experimentais
Os quadrados na figura 8.11 representam a densidade de deslocações na superfície das camadas individuais, os outros representam a densidade de deslocações na superfície da camada de 25 ?m depois de cada desgaste químico (menor espessura). Os espectros de fotoluminescência das camadas mais espessas na região excitónica são mostrados na figura 8.12. A largura a meia-altura da transição A0X de cada camada é representada na figura 8.13 em função da densidade de deslocações calculada por raio X.
Figura 8.11: Logaritmo neperiano da densidade de deslocações em função da espessura. ? – na superfície das camadas individuais. – a superfície da camada de 25 ?m depois de cada desgaste químico (Port et al 1995). As medidas foram obtidas por RX.
Figura 8.12: Espectros de fotoluminescência obtidos à temperatura de 4 K na região excitónica. Verifica-se um alargamento da linha A0X (1.590 eV) com a diminuição da espessura.
Figura 8.13: Largura a meia -altura da transição A0X (1.590 eV) em função da densidade de deslocações. Na
camada mais espessa (25 ?m) a densidade de deslocações é de 3?107 c m-2 (Port et al 1995).
8.4.2 Análise dos resultados
Verifica-se que a densidade de deslocações, na superfície das camadas revelada pelo desgaste químico e na superfície das camadas individuais, decresce rapidamente com o aumento da espessura até 15 ?m (figura 8.11). Acima desta espessura, a diminuição da
1.584 1.586 1.588 1.590 1.592 1.594 1.596 1.598 1.600 1.602 Energia (eV) Intensidade (u.a.) 4?m 8?m 25?m
densidade de deslocações processa-se de modo mais lento, convergindo para o valor de ~1.2?108 cm–2. Pelo mesmo método, foi obtido o valor de 3?107 cm-2 na superfície da camada com a espessura de 25 ?m não sujeita a desgaste químico. A discrepância entre estes dois valores deve-se provavelmente ao maior afloramento das deslocações à superfície depois do tratamento químico. Resultados similares foram obtidos por (Tatsuoka et al 1989, 1990) em camadas de CdTe/GaAs, onde os mínimos de deslocações referidos foram de 4?107 cm-2 e de 2?107 cm-2 em camadas (espessura de 11 ?m) crescidas por HWE e por MOVPE.
Verifica-se também o aumento da emissão excitónica, a diminuição da largura a meia- altura da transição A0X e D0X e a redução das deslocações em função do aumento da espessura (figura 8.12). O alargamento da linha A0X poderia ser explicado pela influência da deformação devida à aproximação do substrato (diminuição da espessura). No entanto, a profundidade de penetração do comprimento de onda utilizado na excitação (514.5 nm) não é suficiente para a análise das amostras nessa região. Alternativamente, o alargamento da transição envolvida poderá dever-se ao aumento da densidade de deslocações que, por sua vez, afecta a cristalinidade da camada superficial. Nas camadas mais espessas observa-se uma correlação entre a largura a meia-altura e a densidade de deslocações (figura 8.13).
Em seguida mostra-se como o comportamento das transições com potência de