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

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 (J_th) 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 слой^SiGe 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 TDD^19,20 на основе следующих двух ключевых наблюдений, о которых сообщалось до сих пор в SEG Ge^рост 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 SEG^{Ge 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.