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

Эта работа была поддержана Японским обществом содействия науке (JSPS) KAKENHI (17J10044) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT), Япония. Производственные процессы были поддержаны «Нанотехнологической платформой» (проект No 12024046), MEXT, Япония. Авторы хотели бы поблагодарить г-на К. Ямаситу и г-жу С. Хирату, Токийский университет, за их помощь в проведении наблюдений ТЕА.

1. Теоретическая методика расчета
<ol><li>Рассчитайте траектории ТД. При расчете предположим, что маски SEG достаточно тонкие, чтобы игнорировать влияние ART на снижение TDD.<ol><li>Определите поверхности роста и выразите их с помощью уравнений. Например, выразите временную эволюцию круглого поп...

В настоящей работе экспериментально были показаны TDD 4 x 107/см2 . Для дальнейшего снижения TDD в протоколе в основном есть 2 критических шага: подготовка маски SEG и эпитаксиальный рост Ge.
Наша модель, показанная на рисунке 4 , показывает, что TDD может б...

Эпитаксиальный Ge на Si привлек значительный интерес в качестве активной платформы фотонных устройств, поскольку Ge может обнаруживать/излучать свет в диапазоне оптической связи (1,3-1,6 мкм) и совместим с методами обработки Si CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник). Однако, поскольку несоответствие решетки между Ge и Si достигает 4,2%, в эпитаксиальных слоях Ge на Si при плотности ~109/см2 образуются нитевидные дислокации (TD). Характеристики фотонных устройств Ge ухудшаются TD, потому что TD работают как центры генерации несущих в фотодетекторах Ge (PD) и модуляторах (MOD), а также как центры рекомбинации несущих в лазерных диодах (LD). В свою очередь, они увеличат обратный ток утечки (J leak) в PD и MODs 1,2,3 и пороговый ток (Jth) в LD 4,5,6.
Сообщалось о различных попытках уменьшить плотность TD (TDD) в Ge на Si (дополнительный рисунок 1). Термический отжиг стимулирует движение TD, что приводит к уменьшению TDD, обычно до 2 x 107/см2. Недостатком является возможное смешивание Si и Ge и диффузия легирующих примесей в Ge, таких как фосфор 7,8,9 (дополнительный рисунок 1a). Градуированный буферный слойSiGe 10,11,12 увеличивает критическую толщину и подавляет образование TD, что приводит к снижению TDD, обычно до 2 x 10 6/см2. Недостатком здесь является то, что толстый буфер снижает эффективность световой связи между устройствами Ge и волноводами Si под ними (дополнительный рисунок 1b). Улавливание соотношения сторон (ART)13,14,15 представляет собой метод селективного эпитаксиального роста (SEG) и снижает TD за счет улавливания TD на боковых стенках толстых траншей SiO2, обычно до <1 x 10 6/см2. В методе АРТ используется толстая маска SiO 2 для снижения TDD в Ge по сравнению с масками SiO2, которая расположена намного выше Si и имеет тот же недостаток (дополнительный рисунок 1b, 1c). Рост Ge на семенах Si pillar и отжиг 16,17,18 аналогичны методу ART, что позволяет улавливать TD за счет роста Ge с высоким соотношением сторон до <1 x 10 5/см2. Однако высокотемпературный отжиг для коалесценции Ge имеет те же недостатки, что и на дополнительном рисунке 1a-c (дополнительный рисунок 1d).
Для достижения эпитаксиального роста Ge с низким TDD на Si, который свободен от недостатков вышеупомянутых методов, мы предложили индуцированное коалесценцией снижение TDD19,20 на основе следующих двух ключевых наблюдений, о которых сообщалось до сих пор в SEG Geрост 7,15,21,22,23 : 1) TD изогнуты, чтобы быть нормальными к поверхностям роста (наблюдаемые с помощью просвечивающего электронного микроскопа поперечного сечения (TEM)), и 2) слияние слоев SEG Ge приводит к образованию полуцилиндрических пустот над масками SiO2.
Мы предположили, что TD изгибаются из-за силы изображения с поверхности роста. В случае Ge on Si сила изображения генерирует напряжения сдвига 1,38 ГПа и 1,86 ГПа для винтовых дислокаций и краевых дислокаций на расстояниях 1 нм от свободных поверхностей соответственно19. Рассчитанные напряжения сдвига значительно больше, чем напряжение Пайерлса, равное 0,5 ГПа, зарегистрированное для дислокаций под углом 60° в Ge24. Расчет предсказывает снижение TDD в слоях Ge SEG на количественной основе и хорошо согласуется с ростом SEGGe 19. Наблюдения ПЭМ за ТД проводятся для понимания поведения ТД в представленном росте SEG Ge на Si20. Уменьшение TDD, вызванное силой изображения, не требует термического отжига или толстых буферных слоев и, таким образом, больше подходит для применения в фотонных устройствах.
В этой статье мы описываем конкретные методы теоретического расчета и экспериментальной проверки, используемые в предложенном методе снижения TDD.

<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

Снижение плотности резьбовых дислокаций (TDD) в эпитаксиальном германии (Ge) на кремнии (Si) было одной из важнейших задач для реализации монолитно-интегрированных схем фотоники. В настоящей работе описаны методы теоретического расчета и экспериментальной проверки новой модели снижения TDD. Метод теоретического расчета описывает изгиб резьбовых дислокаций (ТД) на основе взаимодействия ТД и неплоских ростовых поверхностей селективного эпитаксиального роста (СЭГ) с точки зрения силы изображения дислокаций. Расчет показывает, что наличие пустот на масках SiO2 помогает уменьшить TDD. Экспериментальная проверка описывается германием (Ge) SEG с использованием метода химического осаждения из паровой фазы в сверхвысоком вакууме и TD-наблюдений за выращенным Ge с помощью травления и поперечного просвечивающего электронного микроскопа (TEM). Настоятельно предполагается, что снижение TDD будет связано с наличием полуцилиндрических пустот над масками SiO2 SEG и температурой роста. Для экспериментальной проверки в результате СЭГ слоев Ge и их коалесценции образуются эпитаксиальные слои Ge с полуцилиндрическими пустотами. Экспериментально полученные TDD воспроизводят рассчитанные TDD на основе теоретической модели. Наблюдения ПЭМ в поперечном сечении показывают, что как окончание, так и генерация ТД происходят в полуцилиндрических пустотах. Наблюдения ПЭМ в плане показывают уникальное поведение ТД в Ge с полуцилиндрическими пустотами (т.е. ТД изгибаются параллельно маскам SEG и подложке Si).

Теоретический расчет
На рисунке 3 показаны рассчитанные траектории TD в 6 типах слитых слоев Ge: здесь мы определяем коэффициент апертуры (APR)как окно W / (окно W +маска W). На рисунке 3а</stro...

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

Предложены теоретические расчеты и экспериментальная проверка для снижения плотности резьбовых дислокаций (ТД) в эпитаксиальных слоях германия с полуцилиндрическими пустотами на кремнии. Представлены расчеты, основанные на взаимодействии ТД и поверхности через силу изображения, измерениях ТД и наблюдениях ТД просвечивающим электронным микроскопом.

Теоретический расчет и экспериментальная проверка уменьшения дислокаций в эпитаксиальных слоях германия с полуцилиндрическими пустотами на кремнии

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

Поликристаллического кремния тонкопленочные солнечные элементы с Плазмонных повышенной световой захвата

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

Монослоя Связаться легирования кремния поверхностей и нанопроволок Использование фосфорорганических соединений

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

Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде

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

Интеграция легкими прилипания Серебряные наноструктур в гидрогенизированное микрокристаллическая кремниевых солнечных элементов по трансферная печать

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

Количественное водорода концентрации в поверхностных и интерфейсных слоев и сыпучих материалов через профилирование по глубине с анализом ядерной реакции

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 основе экспериментальной процедуры для мозгов Robot взаимодействия с человекоподобных роботов

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

Экспериментальные методы для спина и угол решены фотоэлектронная спектроскопия, в сочетании с переменной поляризации лазерного

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

Методы Ex Situ и In Situ исследования структурных преобразований: В случае кристаллизации металлических стекол

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

Изготовление магнитных наноструктур на мембраны нитрида кремния магнитный вихревой исследований с использованием методов передачи микроскопии

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

Кремний накренилась волоконно оптического зондирования платформа с высоким разрешением и быстрого реагирования

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