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

Theoretische berekening en experimentele verificatie voor dislocatiereductie in Germanium epitaxiale lagen met semicylindrische holtes op silicium

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

Theoretische berekening en experimentele verificatie worden voorgesteld voor een vermindering van de threading dislocatie (TD) dichtheid in germanium epitaxiale lagen met semicylindrische holtes op silicium. Berekeningen op basis van de interactie van TD’s en oppervlak via beeldkracht, TD-metingen en transmissie-elektronenmicroscoopwaarnemingen van TD’s worden gepresenteerd.

Abstract

Vermindering van threading dislocatiedichtheid (TDD) in epitaxiaal germanium (Ge) op silicium (Si) is een van de belangrijkste uitdagingen geweest voor de realisatie van monolithisch geïntegreerde fotonicacircuits. Dit artikel beschrijft methoden voor theoretische berekening en experimentele verificatie van een nieuw model voor de reductie van TDD. De methode van theoretische berekening beschrijft de buiging van threading dislocaties (TD’s) op basis van de interactie van TD’s en niet-vlakke groeioppervlakken van selectieve epitaxiale groei (SEG) in termen van dislocatiebeeldkracht. Uit de berekening blijkt dat de aanwezigheid van holtes op SiO2-maskers helpt om TDD te verminderen. Experimentele verificatie wordt beschreven door germanium (Ge) SEG, met behulp van een ultra-hoogvacuüm chemische dampafzettingsmethode en TD-waarnemingen van de gegroeide Ge via etsen en cross-sectionele transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). Er wordt sterk gesuggereerd dat de TDD-reductie te wijten zou zijn aan de aanwezigheid van semicilindrische holtes over de SiO2 SEG-maskers en de groeitemperatuur. Voor experimentele verificatie worden epitaxiale Ge-lagen met semicylindrische holtes gevormd als gevolg van SEG van Ge-lagen en hun coalescentie. De experimenteel verkregen TDD’s reproduceren de berekende TDD’s op basis van het theoretische model. Cross-sectionele TEM-waarnemingen laten zien dat zowel de beëindiging als het genereren van TD’s plaatsvinden bij semicylindrische holtes. Plan-view TEM-waarnemingen onthullen een uniek gedrag van TD’s in Ge met semicilindrische holtes (d.w.z. TD’s zijn gebogen om parallel te lopen aan de SEG-maskers en het Si-substraat).

Introduction

Epitaxial Ge op Si heeft aanzienlijke belangstelling getrokken als een actief fotonisch apparaatplatform, omdat Ge licht in het optische communicatiebereik (1,3-1,6 μm) kan detecteren / uitzenden en compatibel is met Si CMOS (complementary metal oxide semiconductor) verwerkingstechnieken. Aangezien de roostermismatch tussen Ge en Si echter zo groot is als 4,2%, worden draaddislocaties (TD’s) gevormd in Ge-epitaxiale lagen op Si met een dichtheid van ~ 109 / cm2. De prestaties van Ge-fotonische apparaten worden verslechterd door TD’s omdat TD’s werken als dragergeneratiecentra in Ge-fotodetectoren (PD’s) en modulatoren (MODs) en als dragerrecombinatiecentra in laserdiodes (LDs). Op hun beurt zouden ze de omgekeerde lekstroom (J-lek) in PD’s en MODs 1,2,3 en de drempelstroom (Jth) in LDs 4,5,6 verhogen.

Er zijn verschillende pogingen gemeld om de TD-dichtheid (TDD) in Ge on Si te verminderen (aanvullende figuur 1). Thermisch gloeien stimuleert de beweging van TD’s, wat leidt tot de vermindering van TDD, meestal tot 2 x 107/cm2. Het nadeel is de mogelijke vermenging van Si en Ge en de diffusie van dopants in Ge zoals fosfor 7,8,9 (aanvullende figuur 1a). De SiGe gegradeerde bufferlaag 10,11,12 verhoogt de kritische diktes en onderdrukt het genereren van TD’s, wat leidt tot de reductie van TDD, meestal tot 2 x 10 6/cm2. Het nadeel hiervan is dat de dikke buffer de efficiëntie van de lichtkoppeling tussen Ge-apparaten en Si-golfgeleiders eronder vermindert (aanvullende figuur 1b). Aspect ratio trapping (ART)13,14,15 is een selectieve epitaxiale groei (SEG) methode en vermindert TD’s door TD’s te vangen aan de zijwanden van dikke SiO 2 sleuven, meestal tot <1 x 10 6/cm 2. De ART-methode maakt gebruik van een dik SiO 2-masker om TDD in Ge te verminderen ten opzichte van de SiO2-maskers, die zich ver boven Si bevinden en hetzelfde nadeel hebben (aanvullende figuur 1b, 1c). Ge-groei op Si-pilaarzaden en gloeien 16,17,18 zijn vergelijkbaar met de ART-methode, waardoor TD-vangst mogelijk is door de hoge beeldverhouding Ge-groei, tot <1 x 10 5 / cm2. Gloeien bij hoge temperatuur voor Ge-coalescentie heeft echter dezelfde nadelen in aanvullende figuur 1a-c (aanvullende figuur 1d).

Om een lage TDD Ge epitaxiale groei op Si te bereiken die vrij is van de nadelen van de bovengenoemde methoden, hebben we coalescentie-geïnduceerde TDD-reductie19,20 voorgesteld op basis van de volgende twee belangrijke waarnemingen die tot nu toe zijn gerapporteerd in SEG Ge-groei 7,15,21,22,23 : 1) TD’s worden gebogen om normaal te zijn voor de groeioppervlakken (waargenomen door de cross-sectionele transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)), en 2) coalescentie van SEG Ge-lagen resulteert in de vorming van semicylindrische holtes over de SiO 2-maskers.

We zijn ervan uitgegaan dat de TD’s gebogen zijn door de beeldkracht van het groeioppervlak. In het geval van Ge op Si genereert de beeldkracht 1,38 GPa en 1,86 GPa schuifspanningen voor schroefdislocaties en randdislocaties op afstanden 1 nm afstand van de vrije oppervlakken, respectievelijk19. De berekende schuifspanningen zijn significant groter dan de Peierls-spanning van 0,5 GPa gerapporteerd voor 60° dislocaties in Ge24. De berekening voorspelt TDD-reductie in Ge SEG-lagen op kwantitatieve basis en komt goed overeen met de SEG Ge-groei19. TEM-observaties van TD’s worden uitgevoerd om TD-gedrag in de gepresenteerde SEG Ge-groei op Si20 te begrijpen. De beeldkracht-geïnduceerde TDD-reductie is vrij van thermische gloeiing of dikke bufferlagen en is dus meer geschikt voor fotonische apparaattoepassing.

In dit artikel beschrijven we specifieke methoden voor de theoretische berekening en experimentele verificatie die worden gebruikt in de voorgestelde TDD-reductiemethode.

Protocol

1. Theoretische berekeningsprocedure Bereken trajecten van TD’s. Ga er in de berekening van uit dat de SEG-maskers dun genoeg zijn om het ART-effect op TDD-reductie te negeren.Bepaal groeioppervlakken en druk ze uit met vergelijking(en). Druk bijvoorbeeld de tijdsevolutie van een ronde doorsnede van een SEG Ge-laag uit met de tijdevolutieparameter n = i, SEG Ge-hoogten (h i) en SEG Ge-radii (r i), zoals weergegeven in de aanvullende video 1a</stro…

Representative Results

Theoretische berekening Figuur 3 toont berekende trajecten van TD’s in 6 soorten samengevoegde Ge-lagen: hier definiëren we de diafragmaverhouding (APR) als W-venster / (W-venster + W-masker). Figuur 3a toont een rond gevormde SEG-oorsprong samengesmolten Ge van APR = 0,8. Hier zitten 2/6 TD’s gevangen. <strong class="x…

Discussion

In het huidige werk werden TDD van 4 x 107/cm2 experimenteel getoond. Voor verdere TDD-reductie zijn er voornamelijk 2 kritieke stappen binnen het protocol: SEG-maskervoorbereiding en epitaxiale Ge-groei.

Ons model in figuur 4 geeft aan dat TDD lager kan worden verlaagd dan 107/cm2 in samengevoegde Ge wanneer APR,W-venster / (W-venster + W-masker), zo klein is als 0,1. In de richting van …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd financieel ondersteund door Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) van het Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie (MEXT), Japan. De fabricageprocessen werden ondersteund door “Nanotechnology Platform” (project nr. 12024046), MEXT, Japan. De auteurs willen de heer K. Yamashita en mevrouw S. Hirata, de Universiteit van Tokio, bedanken voor hun hulp bij TEM-waarnemingen.

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

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