Surface Dislocation Theory of Reconstructed Crystals: VPE GaAs

Abstract

By considering lattice stresses arising from linear monatomic steps on a slightly misoriented surface, a theory is developed of surface energy as a function of misorientation from a singular surface. An energetically attractive step interaction is obtained. The stability of vicinal surfaces with respect to singular terrace formation is investigated in view of this theory and morphological instabilities with low-angle features (terraces, hillocks, pyramids) are found to be probable for (100) and (111) diamond-type and zincblende semiconductor surfaces. A theorem of first-order kinetics is derived to relate surface energy and crystal growth rate as a function of small misorientations. This theorem allows comparison between theory (on surface energy) and experiments (on VPE GaAs growth rate) reported by Hollan and Schiller. Good agreement is obtained, within experimental error, for misorientations within 4.5° of (100) GaAs. Unter Berücksichtigung von Gitterspannungen, die von linearen monoatomaren Stufen auf einer leicht fehlorientierten Oberfläche herrühren, wird eine Theorie der Oberflächenenergie als Funktion der Fehlorientierung gegenüber einer singulären Fläche entwickelt. Es wird eine energetisch attraktive Stufenwechselwirkung erhalten. Die Stabilität von Nachbarflächen bezüglich Bildung einzelner Terrassen wird im Hinblick auf diese Theorie untersucht und es wird gefunden, daß morphologische Instabilitäten mit Kleinwinkeleigenschaften (Terrassen, “Hügel”, Pyramiden) für (100)- und (111)-Oberflächen von Diamanttyp- und Zinkblende-Halbleitern wahrscheinlich sind. Es wird ein Theorem der Kinetik erster Ordnung abgeleitet, um die Oberflächenenergie und Kristallwachstumsrate als Funktion kleiner Fehlorientierungen zu verknüpfen. Dieses Theorem erlaubt einen Vergleich zwischen Theorie (mit der Oberflächenenergie) und Experimenten (an VPE GaAs-Wachstumsraten) von Hollan und Schiller. Es wird gute Übereinstimmung innerhalb der experimentellen Fehlergrenze für Fehlorientierungen bis zu 4,5° von (100)-GaAs erhalten.