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Engineering

Cálculo teórico y verificación experimental para la reducción de la dislocación en capas epitaxiales de germanio con huecos semicilíndricos en silicio

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

Se propone el cálculo teórico y la verificación experimental para una reducción de la densidad de dislocación de roscado (TD) en capas epitaxiales de germanio con huecos semicilíndricos en silicio. Se presentan cálculos basados en la interacción de TD y superficie a través de la fuerza de imagen, mediciones de TD y observaciones de microscopio electrónico de transmisión de TD.

Abstract

La reducción de la densidad de dislocación de roscado (TDD) en germanio epitaxial (Ge) sobre silicio (Si) ha sido uno de los desafíos más importantes para la realización de circuitos fotónicos monolíticamente integrados. El presente artículo describe métodos de cálculo teórico y verificación experimental de un nuevo modelo para la reducción de TDD. El método de cálculo teórico describe la flexión de las dislocaciones de roscado (TD) basadas en la interacción de TD y superficies de crecimiento no planas de crecimiento epitaxial selectivo (SEG) en términos de fuerza de imagen de dislocación. El cálculo revela que la presencia de huecos en las máscaras deSiO2 ayuda a reducir el TDD. La verificación experimental se describe mediante SEG de germanio (Ge), utilizando un método de deposición química de vapor de ultra alto vacío y observaciones TD del Ge cultivado a través de grabado y microscopio electrónico de transmisión transversal (TEM). Se sugiere encarecidamente que la reducción de TDD se deba a la presencia de huecos semicilíndricos sobre las máscaras de SiO2 SEG y la temperatura de crecimiento. Para la verificación experimental, se forman capas epitaxiales de Ge con huecos semicilíndricos como resultado de SEG de capas de Ge y su coalescencia. Los TDD obtenidos experimentalmente reproducen los TDD calculados basados en el modelo teórico. Las observaciones transversales de TEM revelan que tanto la terminación como la generación de TD ocurren en vacíos semicilíndricos. Las observaciones TEM de vista en planta revelan un comportamiento único de los TD en Ge con vacíos semicilíndricos (es decir, los TD se doblan para ser paralelos a las máscaras SEG y al sustrato Si).

Introduction

Epitaxial Ge en Si ha atraído intereses sustanciales como una plataforma de dispositivo fotónico activo ya que Ge puede detectar / emitir luz en el rango de comunicación óptica (1.3-1.6 μm) y es compatible con las técnicas de procesamiento de Si CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico). Sin embargo, dado que el desajuste de la red entre Ge y Si es tan grande como 4.2%, las dislocaciones de roscado (TD) se forman en capas epitaxiales de Ge en Si a una densidad de ~ 109 / cm2. El rendimiento de los dispositivos fotónicos Ge se ve deteriorado por los TD porque los TD funcionan como centros de generación de portadoras en fotodetectores de Ge (PD) y moduladores (MOD), y como centros de recombinación de portadores en diodos láser (LD). A su vez, aumentarían la corriente de fuga inversa (fuga J) en PD y MODs 1,2,3, y la corriente umbral (Jth) en LD 4,5,6.

Se han reportado varios intentos para reducir la densidad de TD (TDD) en Ge en Si (Figura Suplementaria 1). El recocido térmico estimula el movimiento de los TD que conducen a la reducción de TDD, típicamente a 2 x 107/cm2. El inconveniente es la posible mezcla de Si y Ge y la difusión de dopantes en Ge como el fósforo 7,8,9 (Figura suplementaria 1a). La capa tampón graduada de SiGe 10,11,12 aumenta los espesores críticos y suprime la generación de TD que conduce a la reducción de TDD, típicamente a 2 x 10 6/cm2. El inconveniente aquí es que el búfer grueso reduce la eficiencia de acoplamiento de luz entre los dispositivos Ge y las guías de onda de Si debajo (Figura suplementaria 1b). El atrapamiento por relación de aspecto (ART)13,14,15 es un método de crecimiento epitaxial selectivo (SEG) y reduce los TD atrapando TD en las paredes laterales de zanjas gruesas de SiO 2, típicamente a <1 x 10 6/cm 2. El método ART utiliza una máscara gruesa deSiO2 para reducir TDD en Ge sobre las máscaras de SiO2, que se ubica muy por encima de Si y tiene el mismo inconveniente (Figura suplementaria 1b, 1c). El crecimiento de Ge en semillas de pilar de Si y recocido 16,17,18 es similar al método ART, lo que permite el atrapamiento de TD por el crecimiento de Ge de alta relación de aspecto, a <1 x 10 5/cm2. Sin embargo, el recocido a alta temperatura para la coalescencia de Ge tiene los mismos inconvenientes en la Figura Suplementaria 1a-c (Figura Suplementaria 1d).

Para lograr un crecimiento epitaxial de Ge de TDD bajo en Si que esté libre de los inconvenientes de los métodos mencionados anteriormente, hemos propuesto una reducción de TDD inducida por coalescencia 19,20 basada en las siguientes dos observaciones clave reportadas hasta ahora en el crecimiento de SEG Ge 7,15,21,22,23 : 1) los TD se doblan para ser normales a las superficies de crecimiento (observados por el microscopio electrónico de transmisión de sección transversal (TEM)), y 2) la coalescencia de las capas de SEG Ge da como resultado la formación de vacíos semicilíndricos sobre las máscaras de SiO2.

Hemos asumido que los TD están doblados debido a la fuerza de imagen de la superficie de crecimiento. En el caso de Ge en Si, la fuerza de imagen genera tensiones de cizallamiento de 1,38 GPa y 1,86 GPa para dislocaciones de tornillos y dislocaciones de bordes a distancias de 1 nm de las superficies libres, respectivamente19. Las tensiones de cizallamiento calculadas son significativamente mayores que la tensión de Peierls de 0,5 GPa reportada para dislocaciones de 60° en Ge24. El cálculo predice la reducción de TDD en las capas de Ge SEG sobre una base cuantitativa y está en buen acuerdo con el crecimiento de SEG Ge19. Las observaciones TEM de TD se llevan a cabo para comprender los comportamientos de TD en el crecimiento SEG Ge presentado en Si20. La reducción TDD inducida por la fuerza de la imagen está libre de recocido térmico o capas de amortiguación gruesas y, por lo tanto, es más adecuada para la aplicación de dispositivos fotónicos.

En este artículo, describimos métodos específicos para el cálculo teórico y la verificación experimental empleados en el método de reducción de TDD propuesto.

Protocol

1. Procedimiento teórico de cálculo Calcular trayectorias de TD. En el cálculo, supongamos que las máscaras SEG son lo suficientemente delgadas como para ignorar el efecto ART en la reducción de TDD.Determine las superficies de crecimiento y expréselas mediante ecuaciones. Por ejemplo, exprese la evolución temporal de una sección transversal de forma redonda de una capa SEG Ge con el parámetro de evolución temporal n = i, las alturas SEG Ge (h i) y los radios SEG Ge (ri…

Representative Results

Cálculo teórico La Figura 3 muestra las trayectorias calculadas de TD en 6 tipos de capas de Ge fusionadas: aquí, definimos la relación de apertura (APR) como W ventana / (ventana W + máscara W). La Figura 3a muestra un origen SEG de forma redonda fusionado Ge de APR = 0.8. Aquí, 2/6 TDs están atrapados. <strong c…

Discussion

En el presente trabajo, se mostraron experimentalmente TDD de 4 x 107/cm2 . Para una mayor reducción de TDD, hay principalmente 2 pasos críticos dentro del protocolo: preparación de la máscara SEG y crecimiento epitaxial de GE.

Nuestro modelo que se muestra en la Figura 4 indica que TDD puede reducirse por debajo de 107 / cm2 en Ge fusionado cuando APR, ventana W / (ventana W +máscara</sub…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado financieramente por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) KAKENHI (17J10044) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT), Japón. Los procesos de fabricación fueron apoyados por “Plataforma de Nanotecnología” (proyecto No. 12024046), MEXT, Japón. Los autores desean agradecer al Sr. K. Yamashita y a la Sra. S. Hirata, de la Universidad de Tokio, por su ayuda en las observaciones de TEM.

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
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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).
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