Name: theoretical calculation and experimental verification for dislocation reduction in germanium epitaxial layers with semicylindrical voids on silicon
Uploaded: 2020-07-17T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon at JoVE.co

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.

1. Procedure for teoretisk beregning
<ol><li>Beregn baner for TD'er. Antag i beregningen, at SEG-maskerne er tynde nok til at ignorere ART-effekten på TDD-reduktion.<ol><li>Bestem vækstflader og udtryk dem ved ligning(er). Udtryk f.eks. tidsudviklingen for et rundformet tværsnit af et SEG Ge-lag med tidsudviklingsparameteren n = i, SEG Ge-højder (h i) og SEG Ge-radier (r i), som vist i den supplerende video 1a og eq. (1): <img alt="Equation 4" src...

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-...

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:655px;" width="656">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">AFM</td>
			<td style="width:140px;">SII NanoTechnology</td>
			<td style="width:123px;">SPI-3800N</td>
			<td style="width:171px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">BHF</td>
			<td>DAIKIN</td>
			<td>BHF-63U</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CAD design</td>
			<td>AUTODESK</td>
			<td>AutoCAD 2013</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CH3COOH</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>Acetic Acid</td>
			<td>for Electronics</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CVD</td>
			<td>Canon ANELVA</td>
			<td>I-2100 SRE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Developer</td>
			<td>ZEON</td>
			<td>ZED</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Developer rinse</td>
			<td>ZEON</td>
			<td style="width:123px;">ZMD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">EB writer</td>
			<td>ADVANTEST</td>
			<td>F5112+VD01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Furnace</td>
			<td>Koyo Thermo System</td>
			<td>KTF-050N-PA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HF, 0.5 %</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>0.5 % HF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HF, 50 %</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>50 % HF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HNO3, 61 %</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>HNO3 1.38</td>
			<td>for Electronics</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">I2</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>Iodine 100g</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Photoresist</td>
			<td>ZEON</td>
			<td>ZEP520A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Photoresist remover</td>
			<td>Tokyo Ohka</td>
			<td>Hakuri-104</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Surfactant</td>
			<td>Tokyo Ohka</td>
			<td>OAP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TEM</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>JEM-2010HC</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

theoretical calculation and experimental verification for dislocation reduction in germanium epitaxial layers with semicylindrical voids on silicon

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).

Teoretisk beregning
Figur 3 viser beregnede baner for TD'er i 6 typer sammensmeltede Ge-lag: her definerer vi blændeforholdet (APR) til at være W-vindue / (W-vindue +W-maske). Figur 3a viser en rundformet SEG-oprindelse sammensmeltet Ge af APR = 0,8. Her er 2/6 TD'er fanget. Figur 3b viser...

Watch this Scientific Journal Video about Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon at JoVE.co

Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon

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.

Teoretisk beregning og eksperimentel verifikation for dislokationsreduktion i germaniumepitaksiale lag med semicylindriske hulrum på silicium

Reduction of threading dislocation density (TDD) in epitaxial germanium (Ge) on silicon (Si) has been one of the most important challenges for the ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

Polykrystallinske silicium tynd-film solceller med plasmoniske-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Enkeltlags Kontakt doping af silicium overflader og nanotråde Brug organophosphorforbindelser

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

Selektiv Area Ændring af Silicon overfladebefugtelighed af Pulsed UV laser Bestråling i Liquid Miljø

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

Integration af Light fældefangst Sølv Nanostrukturer i hydrogeneret Mikrokrystallinsk silicium solceller ved Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Kvantificering af Hydrogen Koncentrationer i Surface og Interface-Lag og Bulk Materials gennem Dybde Profilering med kernereaktion Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

SSVEP-baserede Eksperimentel Procedure for Brain-robot Interaktion med menneskelignende robotter

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

Eksperimentelle metoder for Spin - og vinkel-løst Photoemission spektroskopi kombineret med polarisering-variabel Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Metoder til Ex Situ og In Situ undersøgelser af strukturelle forandringer: sagen om krystallisering af metalliske briller

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Fabrikation af magnetiske nanostrukturer på Silicon Nitride membraner til magnetiske Vortex undersøgelser ved hjælp af Transmission mikroskopi-teknikker

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

En silicium-tippes fiberoptisk Sensing Platform med høj opløsning og en hurtig reaktionstid

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...