JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
공학

Teoretisk beregning og eksperimentell verifikasjon for dislokasjonsreduksjon i germanium epitaksiale lag med semisylindriske hulrom på silisium

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 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.

Abstract

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).

Introduction

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.

Protocol

1. Teoretisk beregningsprosedyre Beregn baner for TDer. I beregningen antar du at SEG-maskene er tynne nok til å ignorere ART-effekten på TDD-reduksjon.Bestem vekstflater og uttrykk dem ved ligning(er). For eksempel, uttrykk tidsutviklingen til et rundformet tverrsnitt av et SEG Ge-lag med tidsutviklingsparameteren n = i, SEG Ge høyder (h i) og SEG Ge radier (r i), som vist i tilleggsvideo 1a og Eq. (1):<img alt="Equation 4" src="/…

Representative Results

Teoretisk beregning Figur 3 viser beregnede baner for TDer i 6 typer koalescerte Ge-lag: her definerer vi blenderforholdet (APR) til å være W-vindu/(W-vindu + W-maske). Figur 3a viser en rundformet SEG-opprinnelse koalescert Ge av APR = 0,8. Her er 2/6 TDs fanget. Figur 3b viser en {113}-f…

Discussion

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 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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

References

  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/kr/58897?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image