DOI: 10.1051/jp3:1991175
J. Phys. III France 1 (1991) 1119-1130

The origin of dislocations in multilayers

C. J. Humphreys¹, D. M. Maher², D. J. Eaglesham³, E. P. Kvam⁴ and I. G. Salisbury<sup>5

1</sup>  Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, Pembroke Street, Cambridge CB2 3QZ, England
²  Department of Materials Science and Engineering, North Carolina State University, 2140 Burlington Engineering Laboratory, Raleigh, NC 27695-7916, U.S.A.
³  AT & T Bell Laboratories, Room IE-344, 600 Mountain Avenue, Murray Hill, NJ 07974 2070, U.S.A.
⁴  Lawrence Berkeley Laboratory, 62-209 MCSD, University of California, 1 Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, U.S.A.
⁵  129 Poplar Avenue, Edgbaston, Birmingham, England

(Reçu le 6 juin 1990, accepté le 4 octobre 1990)

Abstract
This paper will consider some fundamental questions concerning the source, nucleation and propagation of dislocations in multilayers, particularly semiconductor epilayers. The concept of a "critical thickness" for the introduction of misfit dislocations in a strained layer will be considered, and X-ray topography and electron microscopy results will be presented which demonstrate that the concept of a critical thickness is not as well defined as previously supposed. Theoretical considerations for the source of misfit dislocations in epilayers grown on dislocation free substrates indicate that surface sources are improbable in low mismatched systems at typical growth temperatures, however the experimental evidence is that the nucleation of misfit dislocations is relatively easy. A new regenerative source with unique properties has been identified in the GeSi/Si system and we have called this source the diamond defect because of its diamond shape (it is a four-sided planar fault on a {111} plane with <110> sides so that two opposing internal angles are 60° and the other two are 120°). This defect operates like a FrankRead source, but it has the unique property that it can repetitively produce dislocations with two different Burgers vectors on the same glide plane, and it can generate orthogonal bundles of misfit dislocations. Whether this source exists more widely in other materials systems requires further assessment. The important role of misfit dislocations in trace impurity gettering is demonstrated.

Résumé
Cet article aborde des questions fondamentales qui concernent la germination et la propagation des dislocations dans les multicouches, et en particulier dans les semiconducteurs épitaxiés. Nous considérons le concept d'épaisseur critique pour l'apparition des dislocations de désadaptation de réseau dans les couches contraintes. Les résultats de topographie X et de microscopie électronique qui sont présentés montrent que le concept d'épaisseur critique n'est pas aussi bien défini qu'on le supposait auparavant. Les considérations théoriques sur les sources des dislocations de désadaptation, dans les couches épitaxiées sur des substrats sans dislocations, indiquent que les sources de surfaces sont improbables dans les systèmes à faible désaccord paramétrique aux températures de croissance habituelles, bien que l'expérience montre que la nucléation des dislocations de désadaptation est relativement facile. Nous avons identifié une nouvelle source avec des propriétés uniques dans le système GeSi/Si, et nous l'avons appelée "défaut diamant" à cause de sa forme diamantée (c'est une faute planaire dans {111} à quatre côtés parallèles à des directions <110> , de telle sorte que deux angles internes opposés valent 60°, et deux autres 120°). Ces défauts opèrent comme des sources de Frank-Read, mais avec la propriété unique de pouvoir produire de manière répétitive des dislocations de deux vecteurs de Burgers différents dans le même plan de glissement. Ceci génère des réseaux orthogonaux de dislocations de désadaptation. Des études complémentaires sont nécessaires pour vérifier si de telles sources existent également dans d'autres systèmes. Nous montrons également le rôle important des dislocations de désadaptation dans le piégeage des traces d'impuretés.

© Les Editions de Physique 1991