JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Ingegneria

Teoretisk beregning og eksperimentel verifikation for dislokationsreduktion i germaniumepitaksiale lag med semicylindriske hulrum på silicium

Published: July 17, 2020
doi:
10.3791/58897
, , ,
1Department of Materials Engineering,The University of Tokyo, 2Department of Electrical and Electronic Information Engineering,Toyohashi University of Technology, 3Department of Materials Science and Engineering,Massachusetts Institute of Technology

Summary

Teoretisk beregning og eksperimentel verifikation foreslås til en reduktion af gevinddislokationstæthed (TD) i germaniumepitaksiale lag med semicylindriske hulrum på silicium. Beregninger baseret på interaktionen mellem TD’er og overflade via billedkraft, TD-målinger og transmissionselektronmikroskopobservationer af TD’er præsenteres.

Abstract

Reduktion af gevinddislokationstæthed (TDD) i epitaksial germanium (Ge) på silicium (Si) har været en af de vigtigste udfordringer for realiseringen af monolitisk integrerede fotonikkredsløb. Dette papir beskriver metoder til teoretisk beregning og eksperimentel verifikation af en ny model til reduktion af TDD. Metoden til teoretisk beregning beskriver bøjningen af gevindforskydninger (TD’er) baseret på interaktionen mellem TD’er og ikke-plane vækstflader med selektiv epitaksial vækst (SEG) med hensyn til dislokationsbilledkraft. Beregningen afslører, at tilstedeværelsen af hulrum på SiO2-masker hjælper med at reducere TDD. Eksperimentel verifikation er beskrevet af germanium (Ge) SEG ved hjælp af en kemisk dampaflejringsmetode med ultrahøjt vakuum og TD-observationer af den dyrkede Ge via ætsning og tværsnitstransmissionselektronmikroskop (TEM). Det foreslås kraftigt, at TDD-reduktionen skyldes tilstedeværelsen af semicylindriske hulrum overSiO2 SEG-maskerne og væksttemperaturen. Til eksperimentel verifikation dannes epitaksiale Ge-lag med halvcylindriske hulrum som resultat af SEG af Ge-lag og deres koalescens. De eksperimentelt opnåede TDD’er reproducerer de beregnede TDD’er baseret på den teoretiske model. Tværsnitsobservationer af TEM afslører, at både terminering og generering af TD’er forekommer ved semicylindriske hulrum. Plan-view TEM-observationer afslører en unik opførsel af TD’er i Ge med semicylindriske hulrum (dvs. TD’er bøjes for at være parallelle med SEG-maskerne og Si-substratet).

Introduction

Epitaksial Ge på Si har tiltrukket betydelige interesser som en aktiv fotonisk enhedsplatform, da Ge kan detektere / udsende lys i det optiske kommunikationsområde (1,3-1,6 μm) og er kompatibel med Si CMOS (komplementær metaloxid halvleder) behandlingsteknikker. Da gittermisforholdet mellem Ge og Si imidlertid er så stort som 4,2%, dannes gevindforskydninger (TD’er) i Ge-epitaksiale lag på Si med en tæthed på ~ 109 / cm2. Ge-fotoniske enheders ydeevne forringes af TD’er, fordi TD’er fungerer som bærergenereringscentre i Ge-fotodetektorer (PD’er) og modulatorer (MOD’er) og som bærerrekombinationscentre i laserdioder (LD’er). Til gengæld ville de øge omvendt lækstrøm (J-lækage) i PD’er og MOD’er 1,2,3 og tærskelstrøm (Jth) i LD’er 4,5,6.

Der er rapporteret om forskellige forsøg på at reducere TD-tætheden (TDD) i Ge på Si (supplerende figur 1). Termisk glødning stimulerer bevægelse af TD’er, hvilket fører til reduktion af TDD, typisk til 2 x 107 / cm2. Ulempen er den mulige blanding af Si og Ge og uddiffusion af doteringsmidler i Ge, såsom fosfor 7,8,9 (supplerende figur 1a). SiGe-klassificeret bufferlag 10,11,12 øger de kritiske tykkelser og undertrykker dannelsen af TD’er, hvilket fører til reduktion af TDD, typisk til 2 x 10 6/cm2. Ulempen her er, at den tykke buffer reducerer lyskoblingseffektiviteten mellem Ge-enheder og Si-bølgeledere nedenunder (supplerende figur 1b). Aspect ratio trapping (ART)13,14,15 er en selektiv epitaksial vækstmetode (SEG) og reducerer TD’er ved at fange TD’er ved sidevæggene i tykke SiO 2-grøfter, typisk til <1 x 10 6/cm2. ART-metoden bruger en tyk SiO 2-maske til at reducere TDD i Ge over SiO2-maskerne, som lokaliserer langt over Si og har den samme ulempe (supplerende figur 1b, 1c). Ge-vækst på Si-søjlefrø og udglødning 16,17,18 ligner ART-metoden, hvilket muliggør TD-fangst ved det høje billedformat Ge-vækst til <1 x 10 5 / cm2. Imidlertid har udglødning ved høj temperatur for Ge-koalescens de samme ulemper i supplerende figur 1a-c (supplerende figur 1d).

For at opnå epitaksial vækst med lav TDD Ge på Si, der er fri for ulemperne ved ovennævnte metoder, har vi foreslået koalescensinduceret TDD-reduktion19,20 baseret på følgende to nøgleobservationer, der hidtil er rapporteret i SEG Ge-vækst 7,15,21,22,23 : 1) TD’er bøjes for at være normale for vækstfladerne (observeret af tværsnitstransmissionselektronmikroskopet (TEM)), og 2) sammensmeltning af SEG Ge-lag resulterer i dannelse af halvcylindriske hulrum overSiO2-maskerne.

Vi har antaget, at TD’erne er bøjede på grund af billedkraften fra vækstoverfladen. I tilfælde af Ge på Si genererer billedkraften henholdsvis 1,38 GPa og 1,86 GPa forskydningsspændinger for skrueforskydninger og kantforskydninger i afstande 1 nm væk fra de frie overflader, henholdsvis19. De beregnede forskydningsspændinger er signifikant større end Peierls-spændingen på 0,5 GPa, der er rapporteret for 60° forskydninger i Ge24. Beregningen forudsiger TDD-reduktion i Ge SEG-lag på et kvantitativt grundlag og er i god overensstemmelse med SEG Ge-væksten19. TEM-observationer af TD’er udføres for at forstå TD-adfærd i den præsenterede SEG Ge-vækst på Si20. Den billedkraftinducerede TDD-reduktion er fri for termisk glødning eller tykke bufferlag og er således mere velegnet til fotonisk enhedsapplikation.

I denne artikel beskriver vi specifikke metoder til den teoretiske beregning og eksperimentelle verifikation, der anvendes i den foreslåede TDD-reduktionsmetode.

Protocol

1. Procedure for teoretisk beregning Beregn baner for TD’er. Antag i beregningen, at SEG-maskerne er tynde nok til at ignorere ART-effekten på TDD-reduktion.Bestem vækstflader og udtryk dem ved ligning(er). Udtryk f.eks. tidsudviklingen for et rundformet tværsnit af et SEG Ge-lag med tidsudviklingsparameteren n = i, SEG Ge-højder (h i) og SEG Ge-radier (r i), som vist i den supplerende video 1a og eq. (1):<img alt="Equation 4" src…

Representative Results

Teoretisk beregning Figur 3 viser beregnede baner for TD’er i 6 typer sammensmeltede Ge-lag: her definerer vi blændeforholdet (APR) til at være W-vindue / (W-vindue +W-maske). Figur 3a viser en rundformet SEG-oprindelse sammensmeltet Ge af APR = 0,8. Her er 2/6 TD’er fanget. Figur 3b viser…

Discussion

I det foreliggende arbejde blev TDD på 4 x 107/cm2 eksperimentelt vist. For yderligere TDD-reduktion er der hovedsageligt 2 kritiske trin inden for protokollen: SEG-maskeforberedelse og epitaksial Ge-vækst.

Vores model vist i figur 4 indikerer, at TDD kan reduceres lavere end 107 / cm2 i sammensmeltet Ge, når APR, W vindue / (Wvindue + Wmaske), er så lille som 0,1. Mod yderligere TDD-…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet økonomisk af Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) fra ministeriet for uddannelse, kultur, sport, videnskab og teknologi (MEXT), Japan. Fabrikationsprocesserne blev støttet af “Nanotechnology Platform” (projekt nr. 12024046), MEXT, Japan. Forfatterne vil gerne takke Mr. K. Yamashita og Ms. S. Hirata, University of Tokyo, for deres hjælp med TEM observationer.

Materials

AFM SII NanoTechnology SPI-3800N
BHF DAIKIN BHF-63U
CAD design AUTODESK AutoCAD 2013 Software
CH3COOH Kanto-Kagaku Acetic Acid for Electronics
CVD Canon ANELVA I-2100 SRE
Developer ZEON ZED
Developer rinse ZEON ZMD
EB writer ADVANTEST F5112+VD01
Furnace Koyo Thermo System KTF-050N-PA
HF, 0.5 % Kanto-Kagaku 0.5 % HF
HF, 50 % Kanto-Kagaku 50 % HF
HNO3, 61 % Kanto-Kagaku HNO3 1.38 for Electronics
I2 Kanto-Kagaku Iodine 100g
Photoresist ZEON ZEP520A
Photoresist remover Tokyo Ohka Hakuri-104
Surfactant Tokyo Ohka OAP
TEM JEOL JEM-2010HC
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Giovane, L. M., Luan, H. C., Agarwal, A. M., Kimerling, L. C. Correlation between leakage current density and threading dislocation density in SiGe p-i-n diodes grown on relaxed graded buffer layers. Applied Physics Letters. 78 (4), 541-543 (2001).
  2. Wang, J., Lee, S. Ge-photodetectors for Si-based optoelectronic integration. Sensors. 11, 696-718 (2011).
  3. Ishikawa, Y., Saito, S. Ge-on-Si photonic devices for photonic-electronic integration on a Si platform. IEICE Electronics Express. 11 (24), 1-17 (2014).
  4. Cai, Y. . Materials science and design for germanium monolithic light source on silicon, Ph.D. dissertation. , (2009).
  5. Wada, K., Kimerling, L. C. . Photonics and Electronics with Germanium. , 294 (2015).
  6. Higashitarumizu, N., Ishikawa, Y. Enhanced direct-gap light emission from Si-capped n+-Ge epitaxial layers on Si after post-growth rapid cyclic annealing: Impact of non-radiative interface recombination toward Ge/Si double heterostructure lasers. Optics Express. 25 (18), 21286-21300 (2017).
  7. Luan, H. C., et al. High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities. Applied Physics. Letters. 75 (19), 2909-2911 (1999).
  8. Nayfeha, A., Chui, C. O., Saraswat, K. C. Effects of hydrogen annealing on heteroepitaxial-Ge layers on Si: Surface roughness and electrical quality. Applied Physics Letters. 85 (14), 2815-2817 (2004).
  9. Choi, D., Ge, Y., Harris, J. S., Cagnon, J., Stemmer, S. Low surface roughness and threading dislocation density Ge growth on Si (001). Journal of Crystal Growth. 310 (18), 4273-4279 (2008).
  10. Currie, M. T., Samavedam, S. B., Langdo, T. A., Leitz, C. W., Fitzgerald, E. A. Controlling threading dislocation densities in Ge on Si using graded SiGe layers and chemical-mechanical polishing. Applied Physics Letters. 72 (14), 1718-1720 (1998).
  11. Liu, J. L., Tong, S., Luo, Y. H., Wan, J., Wang, K. L. High-quality Ge films on Si substrates using Sb surfactant-mediated graded SiGe buffers. Applied Physics Letters. 79 (21), 3431-3433 (2001).
  12. Yoon, T. S., Liu, J., Noori, A. M., Goorsky, M. S., Xie, Y. H. Surface roughness and dislocation distribution in compositionally graded relaxed SiGe buffer layer with inserted-strained Si layers. Applied Physics Letters. 87 (1), 012014 (2005).
  13. Langdo, T. A., Leitz, C. W., Currie, M. T., Fitzgerald, E. A., Lochtefeld, A., Antoniadis, D. A. High quality Ge on Si by epitaxial necking. Applied Physics Letters. 76 (25), 3700-3702 (2000).
  14. Park, J. S., Bai, J., Curtin, M., Adekore, B., Carroll, M., Lochtefeld, A. Defect reduction of selective Ge epitaxy in trenches on Si(001) substrates using aspect ratio trapping. Applied Physics Letters. 90 (5), 052113 (2007).
  15. Fiorenza, J. G., et al. Aspect ratio trapping: A unique technology for integrating Ge and III-Vs with silicon CMOS. ECS Transactions. 33 (6), 963-976 (2010).
  16. Salvalaglio, M., et al. Engineered Coalescence by Annealing 3D Ge Microstructures into High-Quality Suspended Layers on Si. Applied Materials & Interfaces. 7 (34), 19219-19225 (2015).
  17. Bergamaschini, R., et al. Self-aligned Ge and SiGe three-dimensional epitaxy on dense Si pillar arrays. Surface Science Reports. 68 (3), 390-417 (2013).
  18. Isa, F., et al. Highly Mismatched, Dislocation-Free SiGe/Si Heterostructures. Advanced Materials. 28 (5), 884-888 (2016).
  19. Yako, M., Ishikawa, Y., Wada, K. Coalescence induced dislocation reduction in selectively grown lattice-mismatched heteroepitaxy: Theoretical prediction and experimental verification. Journal of Applied Physics. 123 (18), 185304 (2018).
  20. Yako, M., Ishikawa, Y., Abe, E., Wada, K. Defects and Their Reduction in Ge Selective Epitaxy and Coalescence Layer on Si With Semicylindrical Voids on SiO2 Masks. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6), 8201007 (2018).
  21. Park, J. S., Bai, J., Curtin, M., Carroll, M., Lochtefeld, A. Facet formation and lateral overgrowth of selective Ge epitaxy on SiO2-patterned Si(001) substrates. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (1), 117-121 (2008).
  22. Bai, J., et al. Study of the defect elimination mechanisms in aspect ratio t.rapping Ge growth. Applied Physics Letters. 90 (10), 101902 (2007).
  23. Montalenti, F., et al. Dislocation-Free SiGe/Si Heterostructures. Crystals. 8 (6), 257 (2018).
  24. Zhang, H. L. Calculation of shuffle 60° dislocation width and Peierls barrier and stress for semiconductors silicon and germanium. European Physical Journal B. 81 (2), 179-183 (2011).
  25. Kim, M., Olubuyide, O. O., Yoon, J. U., Hoyt, J. L. Selective Epitaxial Growth of Ge-on-Si for Photodiode Applications. ECS Transactions. 16 (10), 837-847 (2008).
  26. Yako, M., Kawai, N. J., Mizuno, Y., Wada, K. The kinetics of Ge lateral overgrowth on SiO2. Proceedings of MRS Fall Meeting. , (2015).
  27. Kamino, T., Yaguchi, T., Hashimoto, T., Ohnishi, T., Umemura, K. A FIB Micro-Sampling Technique and a Site Specific TEM Specimen Preparation Method. Introduction to Focused Ion Beams. , (2005).
  28. Park, J. S., et al. Low-defect-density Ge epitaxy on Si(001) using aspect ratio trapping and epitaxial lateral overgrowth. Electrochemical and Solid-State Letters. 12 (4), H142-H144 (2009).
  29. Li, Q., Jiang, Y. B., Xu, H., Hersee, S., Han, S. M. Heteroepitaxy of high-quality Ge on Si by nanoscale Ge seeds grown through a thin layer of SiO2. Applied Physics Letters. 85 (11), 1928-1930 (2004).
  30. Halbwax, M., et al. Epitaxial growth of Ge on a thin SiO2 layer by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition. Journal of Crystal Growth. 308 (1), 26-29 (2007).
  31. Leonhardt, D., Ghosh, S., Han, S. M. Origin and removal of stacking faults in Ge islands nucleated on Si within nanoscale openings in SiO2. Journal of Applied Physics. 10 (7), 073516 (2011).
  32. Takada, Y., Osaka, J., Ishikawa, Y., Wada, K. Effect of Mesa Shape on Threading Dislocation Density in Ge Epitaxial Layers on Si after Post-Growth Annealing. Japanese Journal of Applied Physics. 49 (4S), 04DG23 (2010).
  33. Ishikawa, Y., Wada, K. Germanium for silicon photonics. Thin Solid Films. 518 (6), S83-S87 (2010).
  34. Nagatomo, S., Ishikawa, Y., Hoshino, S. Near-infrared laser annealing of Ge layers epitaxially grown on Si for high-performance photonic devices. Journal of Vacuum Science & Technology B. 35 (5), 051206 (2017).
  35. Ayers, J. E., Schowalter, L. J., Ghandhi, S. K. Post-growth thermal annealing of GaAs on Si(001) grown by organometallic vapor phase epitaxy. Journal of Crystal Growth. 125 (1), 329-335 (1992).
  36. Wang, G., et al. A model of threading dislocation density in strain-relaxed Ge and GaAs epitaxial films on Si (100). Applied Physics Letters. 94 (10), 102115 (2009).
  37. Leonhardt, D., Ghosh, S., Han, S. M. Defects in Ge epitaxy in trench patterned SiO2 on Si and Ge substrates. Journal of Crystal Growth. 335 (1), 62-65 (2011).
  38. Sammak, A., Boer, W. B., Nanver, L. K. Ge-on-Si: Single-crystal selective epitaxial growth in a CVD reactor. ECS Transactions. 50 (9), 507-512 (2012).
  39. Ishikawa, Y., Wada, K., Cannon, D. D., Liu, J., Luan, H. C., Kimerling, L. C. Strain-induced band gap shrinkage in Ge grown on Si substrate. Applied Physics Letters. 82 (13), 2044-2046 (2003).
  40. Bolkhovityanov, Y. B., Gutakovskii, A. K., Deryabin, A. S., Sokolov, L. V. Edge Misfit Dislocations in GexSi1–x/Si(001) (x~1) Heterostructures: Role of Buffer GeySi1–y (y < x) Interlayer in Their Formation. Physics of the Solid State. 53 (9), 1791-1797 (2011).
  41. Bourret, A. How to control the self-organization of nanoparticles by bonded thin layers. Surface Science. 432 (1), 37-53 (1999).
  42. Hirth, J. P., Lothe, J. Grain boundaries. Theory of Dislocations, 2nd ed. 19, 697-750 (1982).
  43. Mizuno, Y., Yako, M., Luan, N. M., Wada, K. Strain tuning of Ge bandgap by selective epigrowth for electro-absorption modulators. Proceedings of SPIE Photonics West, San Francisco, CA, USA. 9367, 1-6 (2015).
  44. Nam, J. H., et al. Lateral overgrowth of germanium for monolithic integration of germanium-on-insulator on silicon. Journal of Crystal Growth. 416 (15), 21-27 (2015).
  45. Fitch, J. T. Selectivity Mechanisms in Low Pressure Selective Epitaxial Silicon Growth. Journal of The Electrochemical Society. 141 (4), 1046-1055 (1994).
  46. Ye, H., Yu, J. Germanium epitaxy on silicon. Science and Technology of Advanced Materials. 15 (2), 1-9 (2014).

Tags

Dislocation ReductionGermanium Epitaxial LayersSemicylindrical VoidsSiliconThreading Dislocation DensitySelective Epitaxial GrowthBoron-doped P-siliconSilicon DioxidePhotoresistBuffered Hydrofluoric AcidGermanium Growth
check_url/it/58897?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Yako, M., Ishikawa, Y., Abe, E., Wada, K. Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon. J. Vis. Exp. (161), e58897, doi:10.3791/58897 (2020).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image