Teoretisk beregning og eksperimentell verifisering foreslås for en reduksjon av gjengedislokasjon (TD) tetthet i germanium epitaksiale lag med semisylindriske hulrom på silisium. Beregninger basert på vekselvirkning mellom TD og overflate via bildekraft, TD-målinger og transmisjonselektronmikroskopobservasjoner av TD presenteres.
Reduksjon av gjengedislokasjonstetthet (TDD) i epitaksialt germanium (Ge) på silisium (Si) har vært en av de viktigste utfordringene for realiseringen av monolittisk integrerte fotonikkkretser. Denne artikkelen beskriver metoder for teoretisk beregning og eksperimentell verifisering av en ny modell for reduksjon av TDD. Metoden for teoretisk beregning beskriver bøyning av gjengedelokasjoner (TD) basert på samspillet mellom TD og ikke-plane vekstflater av selektiv epitaksiell vekst (SEG) når det gjelder dislokasjonsbildekraft. Beregningen viser at tilstedeværelsen av hulrom på SiO 2-masker bidrar til å redusere TDD. Eksperimentell verifisering er beskrevet av germanium (Ge) SEG, ved hjelp av en ultrahøy vakuum kjemisk dampavsetningsmetode og TD-observasjoner av den voksne Ge via etsning og tverrsnittstransmisjonselektronmikroskop (TEM). Det antydes sterkt at TDD-reduksjonen skyldes tilstedeværelsen av semisylindriske hulrom over SiO2 SEG-maskene og veksttemperaturen. For eksperimentell verifisering dannes epitaksiale Ge-lag med semisylindriske hulrom som et resultat av SEG av Ge-lag og deres koalescens. De eksperimentelt oppnådde TDD-ene reproduserer de beregnede TDD-ene basert på den teoretiske modellen. Tverrsnitts TEM-observasjoner viser at både avslutning og generering av TD forekommer ved semisylindriske hulrom. Plan-view TEM-observasjoner avslører en unik oppførsel av TD-er i Ge med semisylindriske hulrom (dvs. TD-er er bøyd for å være parallelle med SEG-maskene og Si-substratet).
Epitaxial Ge på Si har tiltrukket seg betydelige interesser som en aktiv fotonisk enhetsplattform siden Ge kan oppdage / avgi lys i det optiske kommunikasjonsområdet (1, 3-1, 6 μm) og er kompatibel med Si CMOS (komplementær metalloksid halvleder) prosesseringsteknikker. Men siden gitterfeilen mellom Ge og Si er så stor som 4,2%, dannes gjengedekslokasjoner (TD) i Ge epitaksiale lag på Si med en tetthet på ~ 109 / cm2. Ytelsen til Ge fotoniske enheter forverres av TDs fordi TDs fungerer som bærergenereringssentre i Ge fotodetektorer (PD) og modulatorer (MODs), og som bærerrekombinasjonssentre i laserdioder (LDs). I sin tur vil de øke omvendt lekkasjestrøm (J-lekkasje) i PD og MODs 1,2,3, og terskelstrøm (Jth) i LDs 4,5,6.
Ulike forsøk er rapportert for å redusere TD-tettheten (TDD) i Ge on Si (tilleggsfigur 1). Termisk glødning stimulerer bevegelse av TD som fører til reduksjon av TDD, vanligvis til 2 x 107 / cm2. Ulempen er mulig sammenblanding av Si og Ge og utdiffusjon av dopanter i Ge som fosfor 7,8,9 (tilleggsfigur 1a). SiGe-gradert bufferlag 10,11,12 øker de kritiske tykkelsene og undertrykker genereringen av TD-er som fører til reduksjon av TDD, typisk til 2 x 10 6/cm2. Ulempen her er at den tykke bufferen reduserer lyskoblingseffektiviteten mellom Ge-enheter og Si-bølgeledere under (tilleggsfigur 1b). Aspect ratio trapping (ART) 13,14,15 er en selektiv epitaksiell vekst (SEG) metode og reduserer TDs ved å fange TDs på sideveggene av tykke SiO 2 grøfter, vanligvis til <1 x 10 6 / cm2. ART-metoden bruker en tykk SiO 2-maske for å redusere TDD i Ge over SiO2-maskene, som lokaliserer seg langt over Si og har samme ulempe (tilleggsfigur 1b,1c). Ge vekst på Si-søylefrø og glødning 16,17,18 ligner på ART-metoden, noe som muliggjør TD-fangst ved det høye aspektforholdet Ge vekst, til <1 x 10 5 / cm2. Imidlertid har høy temperatur glødning for Ge koalescens de samme ulempene i tilleggsfigur 1a-c (tilleggsfigur 1d).
For å oppnå lav TDD Ge epitaksial vekst på Si som er fri for ulempene med de ovennevnte metodene, har vi foreslått koalescensindusert TDD-reduksjon 19,20 basert på følgende to nøkkelobservasjoner rapportert så langt i SEG Ge vekst 7,15,21,22,23 : 1) TD-er bøyes for å være normale for vekstflatene (observert av tverrsnittstransmisjonselektronmikroskopet (TEM)), og 2) koalescens av SEG Ge-lag resulterer i dannelse av semisylindriske hulrom over SiO2-maskene.
Vi har antatt at TD-ene er bøyd på grunn av bildekraften fra vekstflaten. Når det gjelder Ge på Si, genererer bildekraften 1,38 GPa og 1,86 GPa skjærspenninger for skrueforvridninger og kantdislokasjoner ved avstander 1 nm fra de frie overflatene, henholdsvis19. De beregnede skjærspenningene er signifikant større enn Peierls-spenningen på 0,5 GPa rapportert for 60° dislokasjoner i Ge24. Beregningen forutsier TDD-reduksjon i Ge SEG-lag på kvantitativt grunnlag og stemmer godt overens med SEG Ge-veksten19. TEM-observasjoner av TD-er utføres for å forstå TD-atferd i den presenterte SEG Ge-veksten på Si20. Den bildekraftinduserte TDD-reduksjonen er fri for termisk glødning eller tykke bufferlag, og er dermed mer egnet for fotonisk enhetsapplikasjon.
I denne artikkelen beskriver vi spesifikke metoder for den teoretiske beregningen og eksperimentelle verifikasjonen som brukes i den foreslåtte TDD-reduksjonsmetoden.
I dette arbeidet ble TDD på 4 x 107/cm2 eksperimentelt vist. For ytterligere TDD-reduksjon er det hovedsakelig 2 kritiske trinn i protokollen: SEG-maskeforberedelse og epitaksiell Ge-vekst.
Vår modell vist i figur 4 indikerer at TDD kan reduseres lavere enn 107/cm2 i koalescert Ge når APR, W-vindu/(W-vindu + W-maske), er så liten som 0,1. Mot ytterligere TDD-reduksjon bør SEG-masker …
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet økonomisk av Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) fra departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi (MEXT), Japan. Fabrikasjonsprosessene ble støttet av “Nanotechnology Platform” (prosjekt nr. 12024046), MEXT, Japan. Forfatterne vil gjerne takke Mr. K. Yamashita og Ms S. Hirata, University of Tokyo, for deres hjelp på TEM-observasjoner.
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 |