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

Detta arbete stöddes ekonomiskt av Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik (MEXT), Japan. Tillverkningsprocesserna stöddes av "Nanotechnology Platform" (projekt nr 12024046), MEXT, Japan. Författarna vill tacka K. Yamashita och Ms. S. Hirata, University of Tokyo, för deras hjälp med TEM-observationer.

1. Teoretiskt beräkningsförfarande
<ol><li>Beräkna banor för TD. I beräkningen antar du att SEG-maskerna är tillräckligt tunna för att ignorera ART-effekten på TDD-reduktion.<ol><li>Bestäm tillväxtytor och uttryck dem med ekvation(er). Uttryck till exempel tidsutvecklingen för ett rundformat tvärsnitt av ett SEG Ge-lager med tidsutvecklingsparametern n = i, SEG Ge-höjder (h i) och SEG Ge-radier (r i), som visas i tilläggsvideon 1a och Eq. (1):<...

I föreliggande arbete visades TDD på 4 x 107/cm2 experimentellt. För ytterligare TDD-minskning finns det huvudsakligen 2 kritiska steg inom protokollet: SEG-maskberedning och epitaxiell Ge-tillväxt.
Vår modell som visas i figur 4 indikerar att TDD kan reduceras lägre än 107/cm2 i koalescenserad Ge när APR, Wfönster/(Wfönster + Wmask), är så liten som 0,1. Mot ytterligare TDD-m...

Epitaxiell Ge on Si har väckt stort intresse som en aktiv fotonisk enhetsplattform eftersom Ge kan detektera/avge ljus i det optiska kommunikationsområdet (1,3-1,6 μm) och är kompatibel med Si CMOS (komplementär metalloxidhalvledare) bearbetningstekniker. Men eftersom gittermatchningen mellan Ge och Si är så stor som 4,2%, bildas gängdislokationer (TD) i Ge epitaxiella lager på Si med en densitet av ~ 109 / cm2. Prestandan hos Ge-fotoniska enheter försämras av TD: er eftersom TD: er fungerar som bärargenereringscentra i Ge-fotodetektorer (PD) och modulatorer (MOD) och som bärarrekombinationscentra i laserdioder (LD). I sin tur skulle de öka omvänd läckström (J-läckage) i PD och MOD 1,2,3 och tröskelström (Jth) i LD 4,5,6.
Olika försök har rapporterats för att minska TD-densiteten (TDD) i Ge on Si (kompletterande figur 1). Termisk glödgning stimulerar rörelse av TD vilket leder till minskning av TDD, vanligtvis till 2 x 107 / cm2. Nackdelen är den möjliga blandningen av Si och Ge och utdiffusion av dopmedel i Ge såsom fosfor 7,8,9 (kompletterande figur 1a). SiGe-graderade buffertskiktet 10,11,12 ökar de kritiska tjocklekarna och undertrycker genereringen av TD, vilket leder till minskning av TDD, vanligtvis till 2 x 10 6/cm2. Nackdelen här är att den tjocka bufferten minskar ljuskopplingseffektiviteten mellan Ge-enheter och Si-vågledare under (kompletterande figur 1b). Aspect ratio trapping (ART)13,14,15 är en selektiv epitaxiell tillväxtmetod (SEG) och reducerar TD genom att fånga TD vid sidoväggarna i tjocka SiO 2-diken, vanligtvis till <1 x 10 6/cm 2. ART-metoden använder en tjock SiO 2-mask för att minska TDD i Ge över SiO 2-maskerna, som lokaliserar långt över Si och har samma nackdel (kompletterande figur 1b, 1c). Ge-tillväxt på Si-pelarfrön och glödgning 16,17,18 liknar ART-metoden, vilket möjliggör TD-fångst med det höga bildförhållandet Ge-tillväxt, till <1 x 10 5 / cm2. Högtemperaturglödgning för Ge-koalescens har dock samma nackdelar i kompletterande figur 1a-c (kompletterande figur 1d).
För att uppnå låg-TDD Ge epitaxiell tillväxt på Si som är fri från nackdelarna med ovan nämnda metoder har vi föreslagit koalescensinducerad TDD-reduktion19,20 baserat på följande två viktiga observationer som hittills rapporterats i SEG Ge-tillväxt 7,15,21,22,23 : 1) TD böjs för att vara normala för tillväxtytorna (observeras av tvärsnittstransmissionselektronmikroskopet (TEM)), och 2) koalescens av SEG Ge-lager resulterar i bildandet av halvcylindriska hålrum över SiO 2-maskerna.
Vi har antagit att TD: erna är böjda på grund av bildkraften från tillväxtytan. När det gäller Ge på Si genererar bildkraften 1,38 GPa och 1,86 GPa skjuvspänningar för skruvförskjutningar och kantförskjutningar på avstånd 1 nm från de fria ytorna, respektive19. De beräknade skjuvspänningarna är betydligt större än Peierls-spänningen på 0,5 GPa som rapporterades för 60° dislokationer i Ge24. Beräkningen förutspår TDD-minskning i Ge SEG-lager på kvantitativ basis och överensstämmer väl med SEG Ge-tillväxten19. TEM-observationer av TD utförs för att förstå TD-beteenden i den presenterade SEG Ge-tillväxten på Si20. Den bildkraftinducerade TDD-reduktionen är fri från termisk glödgning eller tjocka buffertskikt och är därför mer lämplig för fotonisk enhetsapplikation.
I den här artikeln beskriver vi specifika metoder för teoretisk beräkning och experimentell verifiering som används i den föreslagna TDD-reduktionsmetoden.

<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

Minskning av gängningsdislokationstäthet (TDD) i epitaxiellt germanium (Ge) på kisel (Si) har varit en av de viktigaste utmaningarna för förverkligandet av monolitiskt integrerade fotonikkretsar. Denna artikel beskriver metoder för teoretisk beräkning och experimentell verifiering av en ny modell för reduktion av TDD. Metoden för teoretisk beräkning beskriver böjningen av gängdislokationer (TD) baserat på interaktionen mellan TD och icke-plana tillväxtytor av selektiv epitaxiell tillväxt (SEG) i termer av dislokationsbildkraft. Beräkningen visar att förekomsten av tomrum på SiO2-masker hjälper till att minska TDD. Experimentell verifiering beskrivs av germanium (Ge) SEG, med hjälp av en ultrahög vakuumkemisk ångavsättningsmetod och TD-observationer av den odlade Ge via etsning och tvärsnittstransmissionselektronmikroskop (TEM). Det rekommenderas starkt att TDD-minskningen skulle bero på närvaron av halvcylindriska hålrum över SiO2 SEG-maskerna och tillväxttemperaturen. För experimentell verifiering bildas epitaxiella Ge-skikt med halvcylindriska hålrum som ett resultat av SEG av Ge-lager och deras koalescens. De experimentellt erhållna TDD: erna reproducerar de beräknade TDD: erna baserat på den teoretiska modellen. Tvärsnittsobservationer av TEM avslöjar att både avslutning och generering av TD sker vid semicylindriska hålrum. TEM-observationer i Plan-view avslöjar ett unikt beteende hos TD i Ge med halvcylindriska hålrum (dvs. TD är böjda för att vara parallella med SEG-maskerna och Si-substratet).

Teoretisk beräkning
Figur 3 visar beräknade banor för TD i 6 typer av koalescenserade Ge-lager: här definierar vi bländarförhållandet (APR) till W fönster / (W-fönster + W-mask). Figur 3a visar ett rundformat SEG-ursprung sammansmält Ge av APR = 0,8. Här är 2/6 TD fångade. Figur 3b</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

Teoretisk beräkning och experimentell verifiering föreslås för en minskning av gängningsdislokationstätheten (TD) i germaniumepitaxiella skikt med halvcylindriska hålrum på kisel. Beräkningar baserade på interaktionen mellan TD och yta via bildkraft, TD-mätningar och transmissionselektronmikroskopobservationer av TD presenteras.

Teoretisk beräkning och experimentell verifiering för dislokationsreduktion i germaniumepitaxiella skikt med semicylindriska hålrum på kisel

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

Polykristallina kisel tunnfilms-solceller med plasmoniska-enhanced Light-svällning

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

Selektiv Area Ändring av Silicon ytvätbarhet av pulsad UV laserstrålning i flytande miljö

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 of Light fångst Silver nanostrukturer i Hydromikro Silicon solceller genom Transfer Tryck

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

Kvantifiering av vätgaskoncentrationer i Surface och gränssnitts Lager och strömaterial genom djupprofilering med kärnreaktionen Analys

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-baserade Försöksförfarande för Brain-Robot Interaktion med Humanoid robotar

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

Experimentella metoder för spinn - och vinkel-löst Photoemission spektroskopi kombinerat 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 Ex Situ och In Situ utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon

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

Tillverkning av magnetiska nanostrukturer på kisel nitriden membran för magnetiska Vortex studier med överföring mikroskopi tekniker

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 Silicon-tippas fiberoptiska avkänning plattform med hög upplösning och snabb respons

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