Cálculo Teórico e Verificação Experimental para Redução de Deslocamento em Camadas Epitaxiais de Germânio com Vazios Semicilíndricos em Silício

O Epitaxial Ge on Si atraiu interesses substanciais como uma plataforma de dispositivo fotônico ativo, uma vez que o Ge pode detectar / emitir luz na faixa de comunicação óptica (1,3-1,6 μm) e é compatível com técnicas de processamento Si CMOS (semicondutor complementar de óxido metálico). No entanto, uma vez que a incompatibilidade de rede entre Ge e Si é tão grande quanto 4,2%, os deslocamentos de rosqueamento (TDs) são formados em camadas epitaxiais de Ge em Si a uma densidade de ~10⁹/cm². Os desempenhos dos dispositivos fotônicos Ge são deteriorados pelos TDs porque os TDs funcionam como centros de geração de portadores em fotodetectores Ge (PDs) e moduladores (MODs) e como centros de recombinação de portadores em diodos laser (LDs). Por sua vez, aumentariam a corrente de fuga reversa (_vazamento J) em PDs e MODs 1,2,3 e a corrente limiar (J_th) em LDs ^4,5,6.

Várias tentativas foram relatadas para reduzir a densidade de DT (TDD) em Ge em Si (Figura Suplementar 1). O recozimento térmico estimula o movimento dos TDs levando à redução do TDD, tipicamente para 2 x 10⁷/cm². A desvantagem é a possível mistura de Si e Ge e a superdifusão de dopantes em Ge, como o fósforo ^7,8,9 (Figura suplementar 1a). A camada tampão graduada SiGe 10,11,12 aumenta as espessuras críticas e suprime a geração de TDs levando à redução de TDD^, tipicamente para 2 x ^{10 6}/cm². A desvantagem aqui é que o buffer espesso reduz a eficiência de acoplamento de luz entre dispositivos Ge e guias de onda Si por baixo (Figura suplementar 1b). O aprisionamento da relação de aspecto (TARV)^13,14,15 é um método de crescimento epitaxial seletivo (SEG) e reduz os TDs por meio do aprisionamento de TDs nas paredes laterais de trincheiras espessas de SiO 2^, tipicamente para <1 x ^{10 6}/cm₂. O método ART usa uma máscara de SiO 2 espessa para reduzir o TDD em Ge sobre as máscaras de SiO₂, que se localiza muito acima de Si e tem a mesma desvantagem (Figura suplementar 1b,1c). O crescimento de Ge em sementes de pilar Si e o recozimento 16,17,18 são semelhantes ao método TARV, possibilitando o aprisionamento de DT pela alta proporção de crescimento de GE^, para <1 x ¹⁰ 5/cm². No entanto, o recozimento de alta temperatura para coalescência de Ge tem as mesmas desvantagens na Figura Suplementar 1a-c (Figura Suplementar 1d).

Para alcançar um crescimento epitaxial de Ge de baixo TDD em Si, livre das desvantagens dos métodos acima mencionados, propusemos a redução de TDD induzida por coalescência^19,20 com base nas duas principais observações a seguir relatadas até agora no crescimento de GEE^SEG 7,15,21,22,23 : 1) Os TDs são dobrados para serem normais às superfícies de crescimento (observado pelo microscópio eletrônico de transmissão transversal (MET)), e 2) a coalescência das camadas de SEG Ge resulta na formação de vazios semicilíndricos sobre as máscaras de SiO₂.

Assumimos que os TDs são dobrados devido à força da imagem da superfície de crescimento. No caso de Ge em Si, a força de imagem gera tensões de cisalhamento de 1,38 GPa e 1,86 GPa para luxações de parafusos e deslocamentos de borda a distâncias de 1 nm das superfícies livres, respectivamente¹⁹. As tensões de cisalhamento calculadas são significativamente maiores do que a tensão de Peierls de 0,5 GPa relatada para luxações de 60° em Ge²⁴. O cálculo prevê a redução do TDD nas camadas de Ge SEG em uma base quantitativa e está em boa concordância com o crescimento do SEG Ge¹⁹. Observações de MET de TDs são realizadas para entender os comportamentos de DT no crescimento apresentado do SEG Ge no Si²⁰. A redução TDD induzida pela força de imagem é livre de qualquer recozimento térmico ou camadas de buffer espessas e, portanto, é mais adequada para a aplicação de dispositivos fotônicos.

Neste artigo, descrevemos métodos específicos para o cálculo teórico e verificação experimental empregados no método de redução de TDD proposto.