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

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.

1. Theoretische berekeningsprocedure
<ol><li>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.<ol><li>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...

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 ...

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.

<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

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).

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...

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

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.

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

Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-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

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

Selectieve Area Wijziging van Silicon Surface Bevochtigbaarheid door Pulsed UV Laser bestraling in Liquid Milieu

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

Integratie van Licht Trapping Silver Nanostructures in gehydrogeneerde Microkristallijn silicium zonnecellen door 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

Kwantificering van waterstof concentraties in Functionele Lagen en Bulk Materials door middel van diepte- met Nuclear Reaction 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-gebaseerde Experimentele Procedure voor Brain-Robot Interactie met Humanoid Robots

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

Experimentele methoden voor Spin - en hoek-opgelost Photoemission spectroscopie gecombineerd met polarisatie-variabele 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

Methoden van Ex Situ en In Situ onderzoeken van structurele transformaties: het geval van kristallisatie van metalen bril

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

Fabricage van magnetische nanostructuren op siliciumnitride membranen voor magnetische Vortex Studies met behulp van Transmission microscopie technieken

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

Een silicium-tipped Fiber-optic Sensing Platform met hoge resolutie en snelle respons

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