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

עבודה זו נתמכה כספית על ידי האגודה היפנית לקידום המדע (JSPS) KAKENHI (17J10044) ממשרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה (MEXT), יפן. תהליכי הייצור נתמכו על ידי "פלטפורמת ננוטכנולוגיה" (פרויקט מס '12024046), MEXT, יפן. המחברים רוצים להודות למר ק. ימאשיטה ולגב' ס. היראטה, מאוניברסיטת טוקיו, על עזרתם בתצפיות TEM.

1. הליך חישוב תיאורטי
<ol><li>חישוב מסלולים של TDs. בחישוב, נניח שמסכות SEG דקות מספיק כדי להתעלם מאפקט ART על הפחתת TDD.<ol><li>לקבוע משטחי צמיחה ולבטא אותם על ידי משוואה/ות. לדוגמה, בטאו את התפתחות הזמן של חתך בצורת חתך עגול של שכבת SEG Ge עם פרמטר התפתחות הזמן n = i, גבהים של SEG Ge (h i) ורדיסי SEG Ge (ri...

בעבודה הנוכחית, TDD של 4 x 107/cm2 הוצגו באופן ניסיוני. להפחתת TDD נוספת, ישנם בעיקר 2 שלבים קריטיים בפרוטוקול: הכנת מסכת SEG וצמיחת Ge אפיטקסיאלית.
המודל שלנו המוצג באיור 4 מצביע על כך שניתן להפחית TDD מתחת ל-107/cm2 ב-Ge מאוחד כאשר APR,חלון W/(חלו...

Epitaxial Ge on Si משכה תחומי עניין משמעותיים כפלטפורמת התקנים פוטוניים פעילה מכיוון ש- Ge יכולה לזהות/לפלוט אור בתחום התקשורת האופטית (1.3-1.6 מיקרומטר) והיא תואמת לטכניקות עיבוד Si CMOS (מוליכים למחצה משלימים של תחמוצת מתכת). עם זאת, מכיוון שאי ההתאמה בסריג בין Ge ו- Si היא גדולה כמו 4.2%, נקעי השחלה (TDs) נוצרים בשכבות Ge epitaxial על Si בצפיפות של ~ 109/cm2. הביצועים של התקנים פוטוניים Ge מתדרדרים על ידי TDs מכיוון ש- TDs פועלים כמרכזי ייצור נשאים בפוטו-גלאים Ge (PDs) ומודולטורים (MODs), וכמרכזי רקומבינציה נשאים בדיודות לייזר (LD). בתורו, הם יגדילו את זרם הדליפה ההפוכה (דליפת J) ב- PDs ו- MODs 1,2,3, ואת זרם הסף (Jth) ב- LDs 4,5,6.
דווח על ניסיונות שונים להפחית את צפיפות TD (TDD) ב-Ge on Si (איור משלים 1). חישול תרמי מגרה תנועה של TDs המוביל להפחתת TDD, בדרך כלל ל 2 x 107/cm2. החיסרון הוא הערבוב האפשרי של Si ו-Ge ודיפוזיה החוצה של דופנטים ב-Ge כמו זרחן 7,8,9 (איור משלים 1a). שכבת החיץ המדורגת SiGe 10,11,12 מגדילה את העוביים הקריטיים ומדכאת את יצירת ה- TD מה שמוביל להפחתת TDD, בדרך כלל ל 2 x 10 6/cm2. החיסרון כאן הוא שהמאגר העבה מפחית את יעילות צימוד האור בין מכשירי Ge ומדריכי גל Si שמתחתיהם (איור משלים 1b). לכידת יחס גובה-רוחב (ART)13,14,15 היא שיטת גידול אפיטקסיאלי סלקטיבי (SEG) ומפחיתה TDs על ידי לכידת TDs בדפנות של תעלות SiO 2 עבות, בדרך כלל ל <1 x 10 6/cm 2. שיטת ART משתמשת במסכת SiO 2 עבה כדי להפחית TDD ב-Ge על פני מסכות SiO2, אשר ממוקמות הרבה מעל Si ויש להן את אותו החיסרון (איור משלים 1b,1c). צמיחת Ge על זרעי עמוד Si וחישול 16,17,18 דומים לשיטת ART, ומאפשרים לכידת TD על ידי יחס גובה-רוחב גבוה צמיחת Ge, ל- <1 x 10 5/cm2. אולם לחישול בטמפרטורה גבוהה עבור התלכדות Ge יש את אותם חסרונות באיור המשלים 1a-c (איור משלים 1d).
כדי להשיג צמיחה אפיטקסיאלית נמוכה של TDD Ge על Si שאינה משוחררת מהחסרונות של השיטות הנ"ל, הצענו הפחתת TDD הנגרמת על ידי התלכדות 19,20 בהתבסס על שתי התצפיות העיקריות הבאות שדווחו עד כה בצמיחת SEG Ge 7,15,21,22,23 1) TDs מכופפים להיות נורמליים למשטחי הגידול (נצפו במיקרוסקופ אלקטרונים בחתך רוחב (TEM)), ו-2) התלכדות של שכבות SEG Ge גורמת להיווצרות חללים סמי-גליליים מעל מסכות SiO2.
הנחנו שה-TDs מכופפים בגלל כוח התמונה ממשטח הצמיחה. במקרה של Ge on Si, כוח התמונה מייצר לחצים של 1.38 GPa ו-1.86 GPa עבור נקעי בורג ונקעי קצה במרחקים של 1 ננומטר מהמשטחים החופשיים, בהתאמה19. לחצי הגזירה המחושבים גדולים משמעותית מלחץ פיירלס של 0.5 GPa שדווח עבור נקעים של 60° ב-Ge24. החישוב חוזה הפחתת TDD בשכבות Ge SEG על בסיס כמותי ותואם היטב את צמיחת SEG Ge19. תצפיות TEM של TDs מתבצעות כדי להבין התנהגויות TD בצמיחת SEG Ge המוצגת ב- Si20. הפחתת TDD הנגרמת על ידי כוח תמונה חופשית מכל חישול תרמי או שכבות חיץ עבות, ולכן מתאימה יותר ליישום התקנים פוטוניים.
במאמר זה, אנו מתארים שיטות ספציפיות לחישוב תיאורטי ואימות ניסיוני המשמשים בשיטת הפחתת TDD המוצעת.

<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

הפחתת צפיפות פריקת השחלה (TDD) בגרמניום אפיטקסיאלי (Ge) על סיליקון (Si) הייתה אחד האתגרים החשובים ביותר למימוש מעגלים פוטוניים משולבים מונוליטית. המאמר הנוכחי מתאר שיטות חישוב תיאורטיות ואימות ניסיוני של מודל חדשני להפחתת TDD. שיטת החישוב התיאורטית מתארת את כיפוף נקעי השחלה (TDs) בהתבסס על אינטראקציה של TDs ומשטחי צמיחה לא מישוריים של צמיחה אפיטקסית סלקטיבית (SEG) במונחים של כוח תמונת נקע. החישוב מגלה כי נוכחות של חללים על מסכות SiO2 לעזור להפחית TDD. אימות ניסיוני מתואר על ידי גרמניום (Ge) SEG, באמצעות שיטת שיקוע אדים כימיים בוואקום גבוה במיוחד ותצפיות TD של Ge הגדל באמצעות תחריט ומיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת חתך (TEM). מומלץ מאוד כי הפחתת TDD תהיה בשל נוכחותם של חללים גליליים למחצה מעל מסכות SiO2 SEG וטמפרטורת הצמיחה. לצורך אימות ניסיוני, שכבות Ge אפיטקסיאליות עם חללים גליליים למחצה נוצרות כתוצאה של SEG של שכבות Ge והתלכדותן . ה-TDDs שהתקבלו בניסוי משחזרים את ה-TDDs המחושבים בהתבסס על המודל התיאורטי. תצפיות TEM בחתך רוחב מגלות כי הן הסיום והן היצירה של TDs מתרחשים בחללים גליליים למחצה. תצפיות TEM במבט תוכניתי חושפות התנהגות ייחודית של TDs ב-Ge עם חללים סמי-גליליים (כלומר, TDs מכופפים להיות מקבילים למסכות SEG ולמצע Si).

חישוב תיאורטי
איור 3 מראה מסלולים מחושבים של TD ב-6 סוגים של שכבות Ge מאוחדות: כאן אנו מגדירים את יחס הצמצם (APR)כחלון W/(חלון W +מסיכת W). איור 3a מראה מקור SEG בצורת עגול שהתלכד Ge של APR = 0.8. כ?...

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

חישוב תיאורטי ואימות ניסיוני מוצעים להפחתת צפיפות פריקת השחלה (TD) בשכבות גרמניום אפיטקסיאליות עם חללים גליליים למחצה על סיליקון. מוצגים חישובים המבוססים על האינטראקציה של TDs ופני השטח באמצעות כוח תמונה, מדידות TD ותצפיות במיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת של TDs.

חישוב תיאורטי ואימות ניסיוני להפחתת נקעים בשכבות גרמניום אפיטקסיאליות עם חללים סמי-גליליים על סיליקון

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

סיליקון polycrystalline תאים סולאריים סרט דק עם plasmonic משופרת אור השמנה

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

חד שכבתי לתקשר סימום של משטחי סיליקון וNanowires שימוש בתרכובות זרחן אורגניות

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

פינת שינוי סלקטיבית של יכולת רטיבות משטח סיליקון על ידי פעמו UV לייזר הקרנה בסביבה נוזלית

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

שילוב של אור ננו-מבני כסף השמנה בתאים סולריים המוקשה Microcrystalline הסיליקון ידי העברת הדפסה

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

כימות של ריכוזי מימן שכבות חיצוניות ואת ממשק חומרים בתפזורת באמצעות פרופיל עומק עם ניתוח תגובה גרעיני

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 מבוסס נוהל ניסיון לאינטראקצית המוח-רובוט עם רובוטים דמויים אדם

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

שיטות נסיוניות עבור ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה Photoemission בשילוב עם לייזר משתנה-קיטוב

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

שיטות של באתרו לשעבר בחיי עיר חקירות של המרות מבניים: המקרה של התגבשות של משקפיים מתכתי

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

ייצור של Nanostructures מגנטית על ממברנות הסיליקון ניטריד ללימודי מערבולת מגנטי באמצעות טכניקות במיקרוסקופ שידור

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

פלטפורמה משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה עם רזולוציה גבוהה ותגובה מהירה

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