Teoretisk beregning og eksperimentel verifikation foreslås til en reduktion af gevinddislokationstæthed (TD) i germaniumepitaksiale lag med semicylindriske hulrum på silicium. Beregninger baseret på interaktionen mellem TD’er og overflade via billedkraft, TD-målinger og transmissionselektronmikroskopobservationer af TD’er præsenteres.
Reduktion af gevinddislokationstæthed (TDD) i epitaksial germanium (Ge) på silicium (Si) har været en af de vigtigste udfordringer for realiseringen af monolitisk integrerede fotonikkredsløb. Dette papir beskriver metoder til teoretisk beregning og eksperimentel verifikation af en ny model til reduktion af TDD. Metoden til teoretisk beregning beskriver bøjningen af gevindforskydninger (TD’er) baseret på interaktionen mellem TD’er og ikke-plane vækstflader med selektiv epitaksial vækst (SEG) med hensyn til dislokationsbilledkraft. Beregningen afslører, at tilstedeværelsen af hulrum på SiO2-masker hjælper med at reducere TDD. Eksperimentel verifikation er beskrevet af germanium (Ge) SEG ved hjælp af en kemisk dampaflejringsmetode med ultrahøjt vakuum og TD-observationer af den dyrkede Ge via ætsning og tværsnitstransmissionselektronmikroskop (TEM). Det foreslås kraftigt, at TDD-reduktionen skyldes tilstedeværelsen af semicylindriske hulrum overSiO2 SEG-maskerne og væksttemperaturen. Til eksperimentel verifikation dannes epitaksiale Ge-lag med halvcylindriske hulrum som resultat af SEG af Ge-lag og deres koalescens. De eksperimentelt opnåede TDD’er reproducerer de beregnede TDD’er baseret på den teoretiske model. Tværsnitsobservationer af TEM afslører, at både terminering og generering af TD’er forekommer ved semicylindriske hulrum. Plan-view TEM-observationer afslører en unik opførsel af TD’er i Ge med semicylindriske hulrum (dvs. TD’er bøjes for at være parallelle med SEG-maskerne og Si-substratet).
Epitaksial Ge på Si har tiltrukket betydelige interesser som en aktiv fotonisk enhedsplatform, da Ge kan detektere / udsende lys i det optiske kommunikationsområde (1,3-1,6 μm) og er kompatibel med Si CMOS (komplementær metaloxid halvleder) behandlingsteknikker. Da gittermisforholdet mellem Ge og Si imidlertid er så stort som 4,2%, dannes gevindforskydninger (TD’er) i Ge-epitaksiale lag på Si med en tæthed på ~ 109 / cm2. Ge-fotoniske enheders ydeevne forringes af TD’er, fordi TD’er fungerer som bærergenereringscentre i Ge-fotodetektorer (PD’er) og modulatorer (MOD’er) og som bærerrekombinationscentre i laserdioder (LD’er). Til gengæld ville de øge omvendt lækstrøm (J-lækage) i PD’er og MOD’er 1,2,3 og tærskelstrøm (Jth) i LD’er 4,5,6.
Der er rapporteret om forskellige forsøg på at reducere TD-tætheden (TDD) i Ge på Si (supplerende figur 1). Termisk glødning stimulerer bevægelse af TD’er, hvilket fører til reduktion af TDD, typisk til 2 x 107 / cm2. Ulempen er den mulige blanding af Si og Ge og uddiffusion af doteringsmidler i Ge, såsom fosfor 7,8,9 (supplerende figur 1a). SiGe-klassificeret bufferlag 10,11,12 øger de kritiske tykkelser og undertrykker dannelsen af TD’er, hvilket fører til reduktion af TDD, typisk til 2 x 10 6/cm2. Ulempen her er, at den tykke buffer reducerer lyskoblingseffektiviteten mellem Ge-enheder og Si-bølgeledere nedenunder (supplerende figur 1b). Aspect ratio trapping (ART)13,14,15 er en selektiv epitaksial vækstmetode (SEG) og reducerer TD’er ved at fange TD’er ved sidevæggene i tykke SiO 2-grøfter, typisk til <1 x 10 6/cm2. ART-metoden bruger en tyk SiO 2-maske til at reducere TDD i Ge over SiO2-maskerne, som lokaliserer langt over Si og har den samme ulempe (supplerende figur 1b, 1c). Ge-vækst på Si-søjlefrø og udglødning 16,17,18 ligner ART-metoden, hvilket muliggør TD-fangst ved det høje billedformat Ge-vækst til <1 x 10 5 / cm2. Imidlertid har udglødning ved høj temperatur for Ge-koalescens de samme ulemper i supplerende figur 1a-c (supplerende figur 1d).
For at opnå epitaksial vækst med lav TDD Ge på Si, der er fri for ulemperne ved ovennævnte metoder, har vi foreslået koalescensinduceret TDD-reduktion19,20 baseret på følgende to nøgleobservationer, der hidtil er rapporteret i SEG Ge-vækst 7,15,21,22,23 : 1) TD’er bøjes for at være normale for vækstfladerne (observeret af tværsnitstransmissionselektronmikroskopet (TEM)), og 2) sammensmeltning af SEG Ge-lag resulterer i dannelse af halvcylindriske hulrum overSiO2-maskerne.
Vi har antaget, at TD’erne er bøjede på grund af billedkraften fra vækstoverfladen. I tilfælde af Ge på Si genererer billedkraften henholdsvis 1,38 GPa og 1,86 GPa forskydningsspændinger for skrueforskydninger og kantforskydninger i afstande 1 nm væk fra de frie overflader, henholdsvis19. De beregnede forskydningsspændinger er signifikant større end Peierls-spændingen på 0,5 GPa, der er rapporteret for 60° forskydninger i Ge24. Beregningen forudsiger TDD-reduktion i Ge SEG-lag på et kvantitativt grundlag og er i god overensstemmelse med SEG Ge-væksten19. TEM-observationer af TD’er udføres for at forstå TD-adfærd i den præsenterede SEG Ge-vækst på Si20. Den billedkraftinducerede TDD-reduktion er fri for termisk glødning eller tykke bufferlag og er således mere velegnet til fotonisk enhedsapplikation.
I denne artikel beskriver vi specifikke metoder til den teoretiske beregning og eksperimentelle verifikation, der anvendes i den foreslåede TDD-reduktionsmetode.
I det foreliggende arbejde blev TDD på 4 x 107/cm2 eksperimentelt vist. For yderligere TDD-reduktion er der hovedsageligt 2 kritiske trin inden for protokollen: SEG-maskeforberedelse og epitaksial Ge-vækst.
Vores model vist i figur 4 indikerer, at TDD kan reduceres lavere end 107 / cm2 i sammensmeltet Ge, når APR, W vindue / (Wvindue + Wmaske), er så lille som 0,1. Mod yderligere TDD-…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet økonomisk af Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) fra ministeriet for uddannelse, kultur, sport, videnskab og teknologi (MEXT), Japan. Fabrikationsprocesserne blev støttet af “Nanotechnology Platform” (projekt nr. 12024046), MEXT, Japan. Forfatterne vil gerne takke Mr. K. Yamashita og Ms. S. Hirata, University of Tokyo, for deres hjælp med TEM observationer.
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 |