JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Teoretisk beräkning och experimentell verifiering för dislokationsreduktion i germaniumepitaxiella skikt med semicylindriska hålrum på kisel

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 beräkning och experimentell verifiering föreslås för en minskning av gängningsdislokationstätheten (TD) i germaniumepitaxiella skikt med halvcylindriska hålrum på kisel. Beräkningar baserade på interaktionen mellan TD och yta via bildkraft, TD-mätningar och transmissionselektronmikroskopobservationer av TD presenteras.

Abstract

Minskning av gängningsdislokationstäthet (TDD) i epitaxiellt germanium (Ge) på kisel (Si) har varit en av de viktigaste utmaningarna för förverkligandet av monolitiskt integrerade fotonikkretsar. Denna artikel beskriver metoder för teoretisk beräkning och experimentell verifiering av en ny modell för reduktion av TDD. Metoden för teoretisk beräkning beskriver böjningen av gängdislokationer (TD) baserat på interaktionen mellan TD och icke-plana tillväxtytor av selektiv epitaxiell tillväxt (SEG) i termer av dislokationsbildkraft. Beräkningen visar att förekomsten av tomrum på SiO2-masker hjälper till att minska TDD. Experimentell verifiering beskrivs av germanium (Ge) SEG, med hjälp av en ultrahög vakuumkemisk ångavsättningsmetod och TD-observationer av den odlade Ge via etsning och tvärsnittstransmissionselektronmikroskop (TEM). Det rekommenderas starkt att TDD-minskningen skulle bero på närvaron av halvcylindriska hålrum över SiO2 SEG-maskerna och tillväxttemperaturen. För experimentell verifiering bildas epitaxiella Ge-skikt med halvcylindriska hålrum som ett resultat av SEG av Ge-lager och deras koalescens. De experimentellt erhållna TDD: erna reproducerar de beräknade TDD: erna baserat på den teoretiska modellen. Tvärsnittsobservationer av TEM avslöjar att både avslutning och generering av TD sker vid semicylindriska hålrum. TEM-observationer i Plan-view avslöjar ett unikt beteende hos TD i Ge med halvcylindriska hålrum (dvs. TD är böjda för att vara parallella med SEG-maskerna och Si-substratet).

Introduction

Epitaxiell Ge on Si har väckt stort intresse som en aktiv fotonisk enhetsplattform eftersom Ge kan detektera/avge ljus i det optiska kommunikationsområdet (1,3-1,6 μm) och är kompatibel med Si CMOS (komplementär metalloxidhalvledare) bearbetningstekniker. Men eftersom gittermatchningen mellan Ge och Si är så stor som 4,2%, bildas gängdislokationer (TD) i Ge epitaxiella lager på Si med en densitet av ~ 109 / cm2. Prestandan hos Ge-fotoniska enheter försämras av TD: er eftersom TD: er fungerar som bärargenereringscentra i Ge-fotodetektorer (PD) och modulatorer (MOD) och som bärarrekombinationscentra i laserdioder (LD). I sin tur skulle de öka omvänd läckström (J-läckage) i PD och MOD 1,2,3 och tröskelström (Jth) i LD 4,5,6.

Olika försök har rapporterats för att minska TD-densiteten (TDD) i Ge on Si (kompletterande figur 1). Termisk glödgning stimulerar rörelse av TD vilket leder till minskning av TDD, vanligtvis till 2 x 107 / cm2. Nackdelen är den möjliga blandningen av Si och Ge och utdiffusion av dopmedel i Ge såsom fosfor 7,8,9 (kompletterande figur 1a). SiGe-graderade buffertskiktet 10,11,12 ökar de kritiska tjocklekarna och undertrycker genereringen av TD, vilket leder till minskning av TDD, vanligtvis till 2 x 10 6/cm2. Nackdelen här är att den tjocka bufferten minskar ljuskopplingseffektiviteten mellan Ge-enheter och Si-vågledare under (kompletterande figur 1b). Aspect ratio trapping (ART)13,14,15 är en selektiv epitaxiell tillväxtmetod (SEG) och reducerar TD genom att fånga TD vid sidoväggarna i tjocka SiO 2-diken, vanligtvis till <1 x 10 6/cm 2. ART-metoden använder en tjock SiO 2-mask för att minska TDD i Ge över SiO 2-maskerna, som lokaliserar långt över Si och har samma nackdel (kompletterande figur 1b, 1c). Ge-tillväxt på Si-pelarfrön och glödgning 16,17,18 liknar ART-metoden, vilket möjliggör TD-fångst med det höga bildförhållandet Ge-tillväxt, till <1 x 10 5 / cm2. Högtemperaturglödgning för Ge-koalescens har dock samma nackdelar i kompletterande figur 1a-c (kompletterande figur 1d).

För att uppnå låg-TDD Ge epitaxiell tillväxt på Si som är fri från nackdelarna med ovan nämnda metoder har vi föreslagit koalescensinducerad TDD-reduktion19,20 baserat på följande två viktiga observationer som hittills rapporterats i SEG Ge-tillväxt 7,15,21,22,23 : 1) TD böjs för att vara normala för tillväxtytorna (observeras av tvärsnittstransmissionselektronmikroskopet (TEM)), och 2) koalescens av SEG Ge-lager resulterar i bildandet av halvcylindriska hålrum över SiO 2-maskerna.

Vi har antagit att TD: erna är böjda på grund av bildkraften från tillväxtytan. När det gäller Ge på Si genererar bildkraften 1,38 GPa och 1,86 GPa skjuvspänningar för skruvförskjutningar och kantförskjutningar på avstånd 1 nm från de fria ytorna, respektive19. De beräknade skjuvspänningarna är betydligt större än Peierls-spänningen på 0,5 GPa som rapporterades för 60° dislokationer i Ge24. Beräkningen förutspår TDD-minskning i Ge SEG-lager på kvantitativ basis och överensstämmer väl med SEG Ge-tillväxten19. TEM-observationer av TD utförs för att förstå TD-beteenden i den presenterade SEG Ge-tillväxten på Si20. Den bildkraftinducerade TDD-reduktionen är fri från termisk glödgning eller tjocka buffertskikt och är därför mer lämplig för fotonisk enhetsapplikation.

I den här artikeln beskriver vi specifika metoder för teoretisk beräkning och experimentell verifiering som används i den föreslagna TDD-reduktionsmetoden.

Protocol

1. Teoretiskt beräkningsförfarande Beräkna banor för TD. I beräkningen antar du att SEG-maskerna är tillräckligt tunna för att ignorera ART-effekten på TDD-reduktion.Bestäm tillväxtytor och uttryck dem med ekvation(er). Uttryck till exempel tidsutvecklingen för ett rundformat tvärsnitt av ett SEG Ge-lager med tidsutvecklingsparametern n = i, SEG Ge-höjder (h i) och SEG Ge-radier (r i), som visas i tilläggsvideon 1a och Eq. (1):<…

Representative Results

Teoretisk beräkning Figur 3 visar beräknade banor för TD i 6 typer av koalescenserade Ge-lager: här definierar vi bländarförhållandet (APR) till W fönster / (W-fönster + W-mask). Figur 3a visar ett rundformat SEG-ursprung sammansmält Ge av APR = 0,8. Här är 2/6 TD fångade. Figur 3b</stro…

Discussion

I föreliggande arbete visades TDD på 4 x 107/cm2 experimentellt. För ytterligare TDD-minskning finns det huvudsakligen 2 kritiska steg inom protokollet: SEG-maskberedning och epitaxiell Ge-tillväxt.

Vår modell som visas i figur 4 indikerar att TDD kan reduceras lägre än 107/cm2 i koalescenserad Ge när APR, Wfönster/(Wfönster + Wmask), är så liten som 0,1. Mot ytterligare TDD-m…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes ekonomiskt av Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik (MEXT), Japan. Tillverkningsprocesserna stöddes av “Nanotechnology Platform” (projekt nr 12024046), MEXT, Japan. Författarna vill tacka K. Yamashita och Ms. S. Hirata, University of Tokyo, för deras hjälp 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

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/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