Theoretische Berechnung und experimenteller Nachweis zur Versetzungsreduktion in Germanium-Epitaxieschichten mit semizylindrischen Hohlräumen auf Silizium

Summary

Theoretische Berechnungen und experimentelle Nachweise werden für eine Verringerung der Dichte der Gewindeversetzungen (TD) in Germanium-Epitaxieschichten mit semizylindrischen Hohlräumen auf Silizium vorgeschlagen. Es werden Berechnungen vorgestellt, die auf der Wechselwirkung von TDs und Oberfläche über Bildkraft, TD-Messungen und transmissionselektronenmikroskopische Beobachtungen von TDs basieren.

Abstract

Die Reduzierung der Gewindeversetzungsdichte (TDD) in epitaktischem Germanium (Ge) auf Silizium (Si) war eine der wichtigsten Herausforderungen für die Realisierung monolithisch integrierter photonischer Schaltkreise. Die vorliegende Arbeit beschreibt Methoden der theoretischen Berechnung und experimentellen Verifikation eines neuartigen Modells zur Reduktion von TDD. Die Methode der theoretischen Berechnung beschreibt die Biegung von Gewindeversetzungen (TDs) basierend auf der Wechselwirkung von TDs und nicht-planaren Wachstumsflächen des selektiven epitaktischen Wachstums (SEG) in Bezug auf die Versetzungsbildkraft. Die Berechnung zeigt, dass das Vorhandensein von Hohlräumen auf SiO₂ -Masken dazu beiträgt, TDD zu reduzieren. Die experimentelle Verifizierung wird durch Germanium (Ge) SEG unter Verwendung einer chemischen Ultrahochvakuum-Gasphasenabscheidungsmethode und TD-Beobachtungen des gezüchteten Ge mittels Ätzen und Querschnittstransmissionselektronenmikroskop (TEM) beschrieben. Es wird stark vermutet, dass die TDD-Reduktion auf das Vorhandensein von halbzylindrischen Hohlräumen über den SiO2-SEG-Masken und der Wachstumstemperatur zurückzuführen ist. Zur experimentellen Überprüfung werden epitaktische Ge-Schichten mit halbzylindrischen Hohlräumen als Ergebnis von SEG von Ge-Schichten und deren Koaleszenz gebildet. Die experimentell erhaltenen TDDs reproduzieren die berechneten TDDs auf der Grundlage des theoretischen Modells. TEM-Beobachtungen im Querschnitt zeigen, dass sowohl die Terminierung als auch die Erzeugung von TDs in semizylindrischen Hohlräumen auftreten. Draufsicht-TEM-Beobachtungen zeigen ein einzigartiges Verhalten von TDs in Ge mit halbzylindrischen Hohlräumen (d.h. TDs sind so gebogen, dass sie parallel zu den SEG-Masken und dem Si-Substrat sind).

Introduction

Epitaktisches Ge on Si hat als aktive photonische Bauelementplattform großes Interesse geweckt, da Ge Licht im optischen Kommunikationsbereich (1,3-1,6 μm) detektieren/emittieren kann und mit Si-CMOS-Verarbeitungstechniken (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) kompatibel ist. Da die Gitterfehlanpassung zwischen Ge und Si jedoch bis zu 4,2% beträgt, bilden sich in Ge-Epitaxieschichten auf Si Gewindeversetzungen (TDs) mit einer Dichte von ~10⁹/cm². Die Leistung von photonischen Ge-Bauelementen wird durch TDs verschlechtert, da TDs als Trägererzeugungszentren in Ge-Photodetektoren (PDs) und Modulatoren (MODs) und als Ladungsträger-Rekombinationszen....

Protocol

1. Theoretisches Berechnungsverfahren

1. Berechnen Sie Trajektorien von TDs. Nehmen Sie bei der Berechnung an, dass die SEG-Masken dünn genug sind, um den ART-Effekt auf die TDD-Reduktion zu ignorieren.
   1. Bestimmen Sie Wachstumsoberflächen und drücken Sie sie durch Gleichung(en) aus. Drücken Sie beispielsweise die zeitliche Entwicklung eines runden Querschnitts einer SEG Ge-Schicht mit dem Zeitentwicklungsparameter n = i, SEG Ge-Höhen (h i) und SEG Ge-Radien (r_i) aus, wie im ergänzenden Video 1a und Gl. (1) gezeigt:
      

Results

Theoretische Berechnung

Abbildung 3 zeigt berechnete Trajektorien von TDs in 6 Arten von verschmolzenen Ge-Schichten: Hier definieren wir das Öffnungsverhältnis (APR) als W-Fenster/(_W-Fenster + _W-Maske). Abbildung 3a zeigt ein rundes SEG-Ursprungskoalesziertes Ge mit einem effektiven Jahreszins = 0,8. Hier sind 2/6 TDs g.......

Discussion

In der vorliegenden Arbeit wurden TDD von 4 x 10⁷/^cm2 experimentell gezeigt. Für eine weitere TDD-Reduzierung gibt es hauptsächlich 2 kritische Schritte innerhalb des Protokolls: SEG-Maskenvorbereitung und epitaktisches Ge-Wachstum.

Unser in Abbildung 4 gezeigtes Modell zeigt, dass TDD in koaleszierendem Ge unter 10⁷/cm² reduziert werden kann, wenn der effektive Jahreszins (_W-Fenster/(_W-Fenster +

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AFM	SII NanoTechnology	SPI-3800N
BHF	DAIKIN	BHF-63U
CAD design	AUTODESK	AutoCAD 2013	Software
CH3COOH	Kanto-Kagaku	Essigsäure	für Elektronik
	CVD Canon ANELVA	I-2100 SRE
Entwickler	ZEON	ZED
Entwickler Spülung	ZEON	ZMD
EB Schreiber	ADVANTEST	F5112+VD01
Ofen	Koyo Thermo System	KTF-050N-PA
HF, 0,5 %	Kanto-Kagaku	0,5 % HF
HF, 50 %	Kanto-Kagaku	50 % HF
HNO3, 61 %	Kanto-Kagaku	HNO3 1.38	für Elektronik
I2	Kanto-Kagaku	Jod 100g
Fotolack	ZEON	ZEP520A
Fotolackentferner	Tokyo Ohka	Hakuri-104
Tensid	Tokyo Ohka	OAP
TEM	JEOL	JEM-2010HC