JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingegneria

Теоретический расчет и экспериментальная проверка уменьшения дислокаций в эпитаксиальных слоях германия с полуцилиндрическими пустотами на кремнии

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

Предложены теоретические расчеты и экспериментальная проверка для снижения плотности резьбовых дислокаций (ТД) в эпитаксиальных слоях германия с полуцилиндрическими пустотами на кремнии. Представлены расчеты, основанные на взаимодействии ТД и поверхности через силу изображения, измерениях ТД и наблюдениях ТД просвечивающим электронным микроскопом.

Abstract

Снижение плотности резьбовых дислокаций (TDD) в эпитаксиальном германии (Ge) на кремнии (Si) было одной из важнейших задач для реализации монолитно-интегрированных схем фотоники. В настоящей работе описаны методы теоретического расчета и экспериментальной проверки новой модели снижения TDD. Метод теоретического расчета описывает изгиб резьбовых дислокаций (ТД) на основе взаимодействия ТД и неплоских ростовых поверхностей селективного эпитаксиального роста (СЭГ) с точки зрения силы изображения дислокаций. Расчет показывает, что наличие пустот на масках SiO2 помогает уменьшить TDD. Экспериментальная проверка описывается германием (Ge) SEG с использованием метода химического осаждения из паровой фазы в сверхвысоком вакууме и TD-наблюдений за выращенным Ge с помощью травления и поперечного просвечивающего электронного микроскопа (TEM). Настоятельно предполагается, что снижение TDD будет связано с наличием полуцилиндрических пустот над масками SiO2 SEG и температурой роста. Для экспериментальной проверки в результате СЭГ слоев Ge и их коалесценции образуются эпитаксиальные слои Ge с полуцилиндрическими пустотами. Экспериментально полученные TDD воспроизводят рассчитанные TDD на основе теоретической модели. Наблюдения ПЭМ в поперечном сечении показывают, что как окончание, так и генерация ТД происходят в полуцилиндрических пустотах. Наблюдения ПЭМ в плане показывают уникальное поведение ТД в Ge с полуцилиндрическими пустотами (т.е. ТД изгибаются параллельно маскам SEG и подложке Si).

Introduction

Эпитаксиальный Ge на Si привлек значительный интерес в качестве активной платформы фотонных устройств, поскольку Ge может обнаруживать/излучать свет в диапазоне оптической связи (1,3-1,6 мкм) и совместим с методами обработки Si CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник). Однако, поскольку несоответствие решетки между Ge и Si достигает 4,2%, в эпитаксиальных слоях Ge на Si при плотности ~109/см2 образуются нитевидные дислокации (TD). Характеристики фотонных устройств Ge ухудшаются TD, потому что TD работают как центры генерации несущих в фотодетекторах Ge (PD) и модуляторах (MOD), а также как центры рекомбинации несущих в лазерных диодах (LD). В свою очередь, они увеличат обратный ток утечки (J leak) в PD и MODs 1,2,3 и пороговый ток (Jth) в LD 4,5,6.

Сообщалось о различных попытках уменьшить плотность TD (TDD) в Ge на Si (дополнительный рисунок 1). Термический отжиг стимулирует движение TD, что приводит к уменьшению TDD, обычно до 2 x 107/см2. Недостатком является возможное смешивание Si и Ge и диффузия легирующих примесей в Ge, таких как фосфор 7,8,9 (дополнительный рисунок 1a). Градуированный буферный слойSiGe 10,11,12 увеличивает критическую толщину и подавляет образование TD, что приводит к снижению TDD, обычно до 2 x 10 6/см2. Недостатком здесь является то, что толстый буфер снижает эффективность световой связи между устройствами Ge и волноводами Si под ними (дополнительный рисунок 1b). Улавливание соотношения сторон (ART)13,14,15 представляет собой метод селективного эпитаксиального роста (SEG) и снижает TD за счет улавливания TD на боковых стенках толстых траншей SiO2, обычно до <1 x 10 6/см2. В методе АРТ используется толстая маска SiO 2 для снижения TDD в Ge по сравнению с масками SiO2, которая расположена намного выше Si и имеет тот же недостаток (дополнительный рисунок 1b, 1c). Рост Ge на семенах Si pillar и отжиг 16,17,18 аналогичны методу ART, что позволяет улавливать TD за счет роста Ge с высоким соотношением сторон до <1 x 10 5/см2. Однако высокотемпературный отжиг для коалесценции Ge имеет те же недостатки, что и на дополнительном рисунке 1a-c (дополнительный рисунок 1d).

Для достижения эпитаксиального роста Ge с низким TDD на Si, который свободен от недостатков вышеупомянутых методов, мы предложили индуцированное коалесценцией снижение TDD19,20 на основе следующих двух ключевых наблюдений, о которых сообщалось до сих пор в SEG Geрост 7,15,21,22,23 : 1) TD изогнуты, чтобы быть нормальными к поверхностям роста (наблюдаемые с помощью просвечивающего электронного микроскопа поперечного сечения (TEM)), и 2) слияние слоев SEG Ge приводит к образованию полуцилиндрических пустот над масками SiO2.

Мы предположили, что TD изгибаются из-за силы изображения с поверхности роста. В случае Ge on Si сила изображения генерирует напряжения сдвига 1,38 ГПа и 1,86 ГПа для винтовых дислокаций и краевых дислокаций на расстояниях 1 нм от свободных поверхностей соответственно19. Рассчитанные напряжения сдвига значительно больше, чем напряжение Пайерлса, равное 0,5 ГПа, зарегистрированное для дислокаций под углом 60° в Ge24. Расчет предсказывает снижение TDD в слоях Ge SEG на количественной основе и хорошо согласуется с ростом SEGGe 19. Наблюдения ПЭМ за ТД проводятся для понимания поведения ТД в представленном росте SEG Ge на Si20. Уменьшение TDD, вызванное силой изображения, не требует термического отжига или толстых буферных слоев и, таким образом, больше подходит для применения в фотонных устройствах.

В этой статье мы описываем конкретные методы теоретического расчета и экспериментальной проверки, используемые в предложенном методе снижения TDD.

Protocol

1. Теоретическая методика расчета Рассчитайте траектории ТД. При расчете предположим, что маски SEG достаточно тонкие, чтобы игнорировать влияние ART на снижение TDD.Определите поверхности роста и выразите их с помощью уравнений. Например, выразите временную эволюцию круглого поп…

Representative Results

Теоретический расчет На рисунке 3 показаны рассчитанные траектории TD в 6 типах слитых слоев Ge: здесь мы определяем коэффициент апертуры (APR)как окно W / (окно W +маска W). На рисунке 3а</stro…

Discussion

В настоящей работе экспериментально были показаны TDD 4 x 107/см2 . Для дальнейшего снижения TDD в протоколе в основном есть 2 критических шага: подготовка маски SEG и эпитаксиальный рост Ge.

Наша модель, показанная на рисунке 4 , показывает, что TDD может б…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Японским обществом содействия науке (JSPS) KAKENHI (17J10044) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT), Япония. Производственные процессы были поддержаны «Нанотехнологической платформой» (проект No 12024046), MEXT, Япония. Авторы хотели бы поблагодарить г-на К. Ямаситу и г-жу С. Хирату, Токийский университет, за их помощь в проведении наблюдений ТЕА.

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