提出了降低硅上半圆柱空隙的锗外延层螺纹位错(TD)密度的理论计算和实验验证。给出了基于TD与表面相互作用的计算方法,通过像力、TD测量和透射电子显微镜对TD的观测。
降低硅(Si)上外延锗(Ge)的螺纹位错密度(TDD)是实现单片集成光子电路的最重要挑战之一。本文介绍了一种降低TDD的新模型的理论计算和实验验证方法。理论计算方法描述了基于TDs与选择性外延生长(SEG)的非平面生长表面在位错成像力方面的相互作用的螺纹位错(TDs)的弯曲。计算表明,SiO2 掩模上空隙的存在有助于降低TDD。采用超高真空化学气相沉积法和TD观察生长的锗(Ge)SEG通过蚀刻和横截面透射电子显微镜(TEM)对生长的Ge进行实验验证。强烈建议TDD降低是由于SiO2 SEG掩模和生长温度上存在半圆柱形空隙。为了进行实验验证,由于Ge层的SEG及其聚结作用,形成了具有半圆柱形空隙的外延Ge层。实验得到的TDDs基于理论模型再现了计算出的TDD。横断面透射电镜观察表明,TD的终止和生成都发生在半圆柱形空隙处。平面透射电镜观测揭示了具有半圆柱形空隙的Ge中TD的独特行为(即TD弯曲以平行于SEG掩模和Si衬底)。
Si上的外延锗作为有源光子器件平台引起了广泛兴趣,因为Ge可以检测/发射光通信范围(1.3-1.6μm)内的光,并且与Si CMOS(互补金属氧化物半导体)加工技术兼容。然而,由于Ge和Si之间的晶格失配高达4.2%,因此在Si上的Ge外延层中以~109 / cm2的密度形成螺纹位错(TDs)。由于TD在Ge光电探测器(PD)和调制器(MOD)中充当载流子生成中心,在激光二极管(LDs)中充当载流子复合中心,因此锗光子器件的性能会因TD而恶化。反过来,它们会增加PD和MOD1,2,3中的反向泄漏电流(J泄漏)和LDs4,5,6中的阈值电流(J th)。
据报道,已经有各种尝试来降低Si上Ge中的TD密度(TDD)(补充图1)。热退火刺激TD的运动,导致TDD降低,通常为2 x 107 / cm2。缺点是Si和Ge可能混合,并且掺杂剂在Ge中扩散,例如磷7,8,9(补充图1a)。SiGe分级缓冲层10,11,12增加了临界厚度并抑制了TD的产生,导致TDD降低,通常为2 x 106/cm2。这里的缺点是厚缓冲器会降低Ge器件和下方Si波导之间的光耦合效率(补充图1b)。纵横比捕获 (ART)13,14,15 是一种选择性外延生长 (SEG) 方法,通过将 TD 捕获在厚 SiO 2 沟槽的侧壁上来降低 TD,通常为 <1 x 10 6/cm 2。ART方法使用较厚的SiO 2掩模来降低Ge中的TDD,而不是SiO 2掩模,SiO2掩模远高于Si,并且具有相同的缺点(补充图1b,1c)。Si柱晶种上的Ge生长和退火16,17,18与ART方法相似,通过高纵横比Ge生长使TD捕获达到<1 x 105/cm2。然而,用于Ge聚结的高温退火在补充图1a-c(补充图1d)中具有相同的缺点。
为了在硅上实现低TDD的Ge外延生长,而不受上述方法的缺点,我们根据迄今为止在SEG Ge生长7,15,21,22,23中报告的以下两个关键观察结果,提出了聚结诱导的TDD还原19,20:1)TD弯曲成垂直于生长表面(通过横截面透射电子显微镜(TEM)观察),2)SEG Ge层的聚结导致在SiO2掩模上形成半圆柱形空隙。
我们假设TD由于生长表面的成像力而弯曲。在Si上的Ge的情况下,像像力分别在距离自由表面1 nm处产生1.38 GPa和1.86 GPa的螺杆位错和边缘位错的剪切应力19。计算出的剪切应力明显大于Ge24中报告的60°位错的Peierls应力0.5 GPa。该计算预测了Ge SEG层的TDD减少,并且与SEG Ge增长19非常吻合。对TD进行TEM观察以了解Si20上所呈现的SEG Ge生长中的TD行为。镜像力诱导的TDD还原没有任何热退火或厚缓冲层,因此更适合光子器件应用。
本文介绍了TDD还原方法的理论计算和实验验证的具体方法。
在本工作中,实验显示了4 x 107 / cm2 的TDD。为了进一步降低TDD,协议中主要有2个关键步骤:SEG掩膜制备和外延Ge生长。
图4所示的模型表明,当APR,W窗口/(W窗口+ W掩模)小至0.1时,TDD可以降低到107 / cm2在聚结Ge中。为了进一步降低TDD,应准备具有较小APR的SEG口罩。如步骤2.1.2所述,W窗口?…
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了日本文部科学省(MEXT)的日本科学促进会(JSPS)KAKENHI(17J10044)的资助。制造工艺得到了日本文部科学省“纳米技术平台”(项目编号12024046)的支持。作者要感谢东京大学的K. Yamashita先生和平田S. Ms. Hirata女士在TEM观测方面的帮助。
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 |