Method Article

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

DOI:

10.3791/58897

⸱

July 17th, 2020

 ,  ,  , 
1Department of Materials Engineering, The University of Tokyo, 2Department of Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology, 3Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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).

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Theoretische berekeningsprocedure

  1. 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.
    1. 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 en Eq. (1):
      figure-protocol-1
    2. Bepaal de normale richtingen voor een willekeurige locatie op de groeioppervlakken. Beschrijf voor de ronde doorsnede SEG Ge de normale lijn op (x i , yi) als , weergegeven in Aanvullende video 1b als figure-protocol-2een rode lijn. Verkrijg vervolgens de rand van de TD (x i+1 , y i+1) van het punt (x i , y i) door de volgende gelijktijdige vergelijkingen op te lossen:
      figure-protocol-3
    3. Bereken een traject van één TD afhankelijk van de locatie van TD-generatie (x 0, 0), zoals weergegeven in Aanvullende video 1c. Met andere woorden, een traject voor een willekeurige TD kan worden berekend met de hierboven beschreven methode.
    4. Bereken TDD in de veronderstelling dat TD's doordringen tot het onderste oppervlak en bijdragen aan de vermindering van TDD (d.w.z. TD's onder het punt waar SEG Ge-lagen samensmelten, worden gevangen door semicylindrische holtes en verschijnen nooit op het bovenste oppervlak).

2. Experimentele verificatieprocedure

  1. SEG masker voorbereiding
    1. Voorafgaand aan de fabricage van SEG-maskers, definieert u Ge-groeigebieden door een ontwerpbestand voor te bereiden. Bereid in het huidige werk lijn- en spatiepatronen voor die zijn uitgelijnd op de [110] richting en vierkante Si-venstergebieden van 4 mm breed met behulp van commerciële software (bijv. AutoCAD).
    2. Bepaal het ontwerp van SEG-maskers (met nameW-venster en W-masker) met behulp van de software. W-venster is de vensterbreedte (Si-zaadbreedte) enW-masker is de SiO2-maskerbreedte, zodat SEG Ge-lagen kunnen samensmelten met hun aangrenzende lagen. Bepaalhet W-venster enhet W-masker door rechthoeken te tekenen door op bestand openen te klikken → structuur → rechthoek of polylijn.
      OPMERKING: De breedte van de rechthoeken wordtW-venster en het interval van de rechthoeken wordtW-masker. In het huidige werk zijn de minimumwaarden van W-venster enW-masker respectievelijk 0,5 μm en 0,3 μm, die worden beperkt door de resolutie in het gebruikteEB-lithografiesysteem.
    3. Teken als referenties vierkante Si-venstergebieden van 4 mm breed D, beschouwd als de dekengebieden. Klik op bestand openen → structuur → rechthoek of polylijn om het vierkante Si-venster te tekenen. Gebruik de schema's in figuur 1 om de lijn- en ruimtepatronen en het vierkante dekenoppervlak van 4 mm voor te bereiden.
    4. Bereid B-gedopeerde p-Si (001) substraten voor met een weerstand van 1-100 Ω∙cm. Gebruik in het huidige werk 4-inch Si-substraten. Reinig de substraatoppervlakken indien nodig met Piranha-oplossing (een mengsel van 20 ml van 30% H 2 O2 en 80 ml van 96% H2 SO4).
    5. Open het deksel van een buisoven en laad de Si-substraten met behulp van een glazen staaf in de oven. In het huidige werk, oxideer 10 Si-substraten tegelijk.
    6. Begin met het droogblazen van N2-gas in de oven door de gasklep te openen. Stel vervolgens het gasdebiet in op 0,5 l/m door de klep te regelen.
    7. Stel de gloeitemperatuur in door het programma te wijzigen. Gebruik in het huidige werk "patroonstap (modus 2)" en stel de procestemperatuur in op 900 °C. Voer vervolgens het programma uit door de functie → uit te drukken.
    8. Als de temperatuur 900 °C bereikt, sluit u de droge N 2-klep, opent u de droge O 2-klep (O 2-stroom = 1 l / m) en houdt u deze 2 uur.
      OPMERKING: Voer stap 2.1.9-2.1.16 uit in een gele kamer.
    9. Bedek de geoxideerde Si-substraten met een oppervlakteactieve stof (OAP) met behulp van een spincoater en bak vervolgens gedurende 90 s op 110 °C op een kookplaat.
    10. Bedek na de oppervlakteactieve coating de Si-substraten met een fotoresist (bijv. ZEP520A) met behulp van een spincoater en bak vervolgens gedurende 5 minuten op 180 °C op een kookplaat.
    11. Laad de Si-substraten met de oppervlakteactieve stof en fotoresist in een elektronenbundel (EB) -schrijver.
    12. Lees het ontwerpbestand (opgesteld in stap 2.1.2) in de EB-writer en maak een bewerkingsbestand (WEC-bestand). Stel de dosishoeveelheid in op 120 μC/cm2 in het WEC-bestand. Als het substraatladen is voltooid, voert u EB-belichting uit door op de knop voor eenmalige belichting te klikken.
    13. Verwijder het substraat van de EB-writer door op wafer carry te klikken → te lossen als de belichting is voltooid.
    14. Bereid een fotoresistente ontwikkelaar (ZED) en een spoeling voor de ontwikkelaar (ZMD) voor in een tochtkamer. Dompel de blootgestelde Si-substraten gedurende 60 s in de ontwikkelaar bij kamertemperatuur.
    15. Verwijder de Si-substraten van de ontwikkelaar en droog het substraat vervolgens met N2-gas .
    16. Leg de ontwikkelde Si-substraten op een kookplaat om 90 s op 110 °C te bakken.
    17. Dompel de Si-substraten gedurende 1 minuut in een gebufferd fluorwaterstofzuur (BHF-63SE) om een deel van de SiO2-lagen te verwijderen die aan de lucht zijn blootgesteld als gevolg van EB-blootstelling en -ontwikkeling.
    18. Verwijder de fotoresist uit de Si-substraten door deze gedurende 15 minuten in een organische fotoresistverwijderaar (bijv. Hakuri-104) te dompelen.
    19. Dompel de Si-substraten gedurende 4 minuten in 0,5% verdund fluorwaterstofzuur om het dunne inheemse oxide in de venstergebieden te verwijderen, maar om de SiO 2-maskers te behouden. Laad vervolgens op een ultrahoogvacuüm chemische dampafzetting (UHV-CVD) kamer om Ge te laten groeien. Figuur 2 toont het UHV-CVD-systeem dat in dit werk wordt gebruikt.
  2. Epitaxiale Ge groei
    1. Laad het Si-substraat met SEG-maskers (gefabriceerd zoals in stap 2.1) in een laadvergrendelingskamer.
    2. Stel de buffer/hoofdgroeitemperatuur in op het tabblad Recept dat op de bedieningscomputer wordt weergegeven. Bepaal de duur voor de hoofdgroei van Ge, zodat SEG Ge-lagen samensmelten met aangrenzende. Om de duur van de hoofdgroei te bepalen, moet u rekening houden met de groeisnelheid van Ge op de {113} vlakken, die de groei in de in-plane / laterale richting26 bepaalt. Stel in dit werk de duur voor de hoofdgroei in op 270 min en 150 min voor respectievelijk 650 °C en 700 °C.
    3. Klik op start in het hoofdvenster en vervolgens wordt het Si-substraat automatisch overgebracht naar de groeikamer.
      OPMERKING: Protocol over epitaxiale Ge-groei (stappen 2.2.4-2.2.7) wordt automatisch verwerkt.
    4. Groei Ge-buffer op het belaste Si-substraat bij lage temperatuur (≈380 °C). Gebruik GeH 4 verdund bij 9% in Ar als brongas en houd de partiële druk van GeH4 gedurende 0,5 Pa tijdens de buffergroei.
    5. Kweek Ge hoofdlaag bij een verhoogde temperatuur. Houd de partiële druk van GeH4 gedurende 0,8 Pa tijdens de hoofdgroei. Gebruik in dit werk twee verschillende temperaturen van 650 en 700 °C voor de hoofdgroeitemperatuur om SEG Ge te vergelijken met een ronde doorsnede en met een {113}-facetdoorsnede25.
      OPMERKING: De groeisnelheid van Ge op het (001) vlak was 11,7 nm/min onafhankelijk van de temperatuur.
    6. Om de evolutie van SEG Ge en hun coalescentie te visualiseren, voert u Ge-groei uit met periodieke insertie van 10-nm-dikke Si0,3 Ge 0,7demarcatielagen op een ander Si-substraat. Si0,3 Ge 0,7lagen werden gevormd met behulp van Si2H6 en GeH4 gassen. Stel tijdens de Si 0,3 Ge 0,7-laags groei de partiële druk van Si2H6-gas in op 0,02 Pa en de partiële druk van GeH4-gas op0,8Pa.
    7. Terwijl het Si-substraat automatisch van de groeikamer naar de lastvergrendelingskamer wordt overgebracht, ontlucht u de lastvergrendelingskamer en lost u het Si-substraat handmatig.
  3. Metingen van de etsputdichtheid (EPD)
    1. Los 32 mg I2 op in 67 ml CH3COOH met behulp van een ultrasone reinigingsmachine.
    2. Meng de I2-opgeloste CH 3 COOH, 20 ml HNO3en 10 ml HF.
    3. Dompel de Ge-grown Si-substraten gedurende 5-7 s in deCH 3 COOH/HNO3/HF/I2-oplossing om geëtste putten te vormen.
    4. Observeer de geëtste Ge-oppervlakken met een optische microscoop (meestal 100x) om ervoor te zorgen dat geëtste putten met succes worden gevormd.
    5. Gebruik een atoomkrachtmicroscoop (AFM) om de geëtste putten te tellen. Plaats het geëtste Ge-monster op een AFM-podium en benader de sonde door op automatische benadering te klikken.
    6. Bepaal het waarnemingsgebied met behulp van een optische microscoop geïntegreerd met een AFM en scan vijf verschillende gebieden van 10 μm x 10 μm. De amplitude dempingsfactor wordt automatisch bepaald.
  4. TEM waarnemingen
    1. Pak TEM-monsters op uit de samengesmolten/deken-Ge-lagen met behulp van een gerichte Ge-ionenbundel (FIB-microbemonsteringsmethode)27.
    2. Polijst de TEM-monsters in een ionenfreessysteem met behulp van Ar-ionen. In het huidige werk moeten TEM-specimens worden uitgedund voor dwarsdoorsnedewaarnemingen van 150-500 nm in de [110] richting, en voor planwaarnemingen van 200 nm in de [001] richting.
    3. Voor plan-view TEM-exemplaren beschermt u de bovenoppervlakken van de Ge-lagen met amorfe lagen en dunt u vervolgens uit vanaf de onderkant (substraat) van de Ge-lagen.
    4. Voer TEM-waarnemingen uit onder een versnellingsspanning van 200 kV. Voer cross-sectionele bright-field scanning TEM (STEM) waarnemingen uit om dikke (500 nm) TEM-monsters te observeren.
    5. Voor een samengevoegde Ge met Si 0,3 Ge0,7 demarcatielagen,voert u dwarsdoorsnede hogehoek ringvormig donker veld (HAADF) STEM-waarnemingen uit onder een versnellingsspanning van 200 kV.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AFMSII NanoTechnologySPI-3800N
BHFDAIKINBHF-63U
CAD designAUTODESKAutoCAD 2013Software
CH3COOHKanto-KagakuAcetic Acidvoor elektronica
CVDCanon ANELVAI-2100 SRE
DeveloperZEONZED
Developer rinseZEONZMD
EB writerADVANTESTF5112+VD01
FurnaceKoyo Thermo SystemKTF-050N-PA
HF, 0,5 %Kanto-Kagaku0,5 % HF
HF, 50 %Kanto-Kagaku50 % HF
HNO3, 61 %Kanto-KagakuHNO3 1.38voor elektronica
I2Kanto-KagakuIodine 100g
PhotoresistZEONZEP520A
Photoresist removerTokyo OhkaHakuri-104
SurfactantTokyo OhkaOAP
TEMJEOLJEM-2010HC

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Giovane, L. M., Luan, H. C., Agarwal, A. M., Kimerling, L. C. Correlation between leakage current density and threading dislocation density in SiGe p-i-n diodes grown on relaxed graded buffer layers. Applied Physics Letters. 78 (4), 541-543 (2001).
  2. Wang, J., Lee, S. Ge-photodetectors for Si-based optoelectronic integration. Sensors. 11, 696-718 (2011).
  3. Ishikawa, Y., Saito, S. Ge-on-Si photonic devices for photonic-electronic integration on a Si platform. IEICE Electronics Express. 11 (24), 1-17 (2014).
  4. Cai, Y. Materials science and design for germanium monolithic light source on silicon, Ph.D. dissertation. , Dept. Mater. Sci. Eng., Massachusetts Inst. Technol. Cambridge, MA, USA. (2009).
  5. Wada, K., Kimerling, L. C. Photonics and Electronics with Germanium. , Wiley. Hoboken, NJ, USA. 294(2015).
  6. Higashitarumizu, N., Ishikawa, Y. Enhanced direct-gap light emission from Si-capped n+-Ge epitaxial layers on Si after post-growth rapid cyclic annealing: Impact of non-radiative interface recombination toward Ge/Si double heterostructure lasers. Optics Express. 25 (18), 21286-21300 (2017).
  7. Luan, H. C., et al. High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities. Applied Physics. Letters. 75 (19), 2909-2911 (1999).
  8. Nayfeha, A., Chui, C. O., Saraswat, K. C. Effects of hydrogen annealing on heteroepitaxial-Ge layers on Si: Surface roughness and electrical quality. Applied Physics Letters. 85 (14), 2815-2817 (2004).
  9. Choi, D., Ge, Y., Harris, J. S., Cagnon, J., Stemmer, S. Low surface roughness and threading dislocation density Ge growth on Si (001). Journal of Crystal Growth. 310 (18), 4273-4279 (2008).
  10. Currie, M. T., Samavedam, S. B., Langdo, T. A., Leitz, C. W., Fitzgerald, E. A. Controlling threading dislocation densities in Ge on Si using graded SiGe layers and chemical-mechanical polishing. Applied Physics Letters. 72 (14), 1718-1720 (1998).
  11. Liu, J. L., Tong, S., Luo, Y. H., Wan, J., Wang, K. L. High-quality Ge films on Si substrates using Sb surfactant-mediated graded SiGe buffers. Applied Physics Letters. 79 (21), 3431-3433 (2001).
  12. Yoon, T. S., Liu, J., Noori, A. M., Goorsky, M. S., Xie, Y. H. Surface roughness and dislocation distribution in compositionally graded relaxed SiGe buffer layer with inserted-strained Si layers. Applied Physics Letters. 87 (1), 012014(2005).
  13. Langdo, T. A., Leitz, C. W., Currie, M. T., Fitzgerald, E. A., Lochtefeld, A., Antoniadis, D. A. High quality Ge on Si by epitaxial necking. Applied Physics Letters. 76 (25), 3700-3702 (2000).
  14. Park, J. S., Bai, J., Curtin, M., Adekore, B., Carroll, M., Lochtefeld, A. Defect reduction of selective Ge epitaxy in trenches on Si(001) substrates using aspect ratio trapping. Applied Physics Letters. 90 (5), 052113(2007).
  15. Fiorenza, J. G., et al. Aspect ratio trapping: A unique technology for integrating Ge and III-Vs with silicon CMOS. ECS Transactions. 33 (6), 963-976 (2010).
  16. Salvalaglio, M., et al. Engineered Coalescence by Annealing 3D Ge Microstructures into High-Quality Suspended Layers on Si. Applied Materials & Interfaces. 7 (34), 19219-19225 (2015).
  17. Bergamaschini, R., et al. Self-aligned Ge and SiGe three-dimensional epitaxy on dense Si pillar arrays. Surface Science Reports. 68 (3), 390-417 (2013).
  18. Isa, F., et al. Highly Mismatched, Dislocation-Free SiGe/Si Heterostructures. Advanced Materials. 28 (5), 884-888 (2016).
  19. Yako, M., Ishikawa, Y., Wada, K. Coalescence induced dislocation reduction in selectively grown lattice-mismatched heteroepitaxy: Theoretical prediction and experimental verification. Journal of Applied Physics. 123 (18), 185304(2018).
  20. Yako, M., Ishikawa, Y., Abe, E., Wada, K. Defects and Their Reduction in Ge Selective Epitaxy and Coalescence Layer on Si With Semicylindrical Voids on SiO2 Masks. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6), 8201007(2018).
  21. Park, J. S., Bai, J., Curtin, M., Carroll, M., Lochtefeld, A. Facet formation and lateral overgrowth of selective Ge epitaxy on SiO2-patterned Si(001) substrates. Journal of Vacuum Science & Technology B. 26 (1), 117-121 (2008).
  22. Bai, J., et al. Study of the defect elimination mechanisms in aspect ratio t.rapping Ge growth. Applied Physics Letters. 90 (10), 101902(2007).
  23. Montalenti, F., et al. Dislocation-Free SiGe/Si Heterostructures. Crystals. 8 (6), 257(2018).
  24. Zhang, H. L. Calculation of shuffle 60° dislocation width and Peierls barrier and stress for semiconductors silicon and germanium. European Physical Journal B. 81 (2), 179-183 (2011).
  25. Kim, M., Olubuyide, O. O., Yoon, J. U., Hoyt, J. L. Selective Epitaxial Growth of Ge-on-Si for Photodiode Applications. ECS Transactions. 16 (10), 837-847 (2008).
  26. Yako, M., Kawai, N. J., Mizuno, Y., Wada, K. The kinetics of Ge lateral overgrowth on SiO2. Proceedings of MRS Fall Meeting. , (2015).
  27. Kamino, T., Yaguchi, T., Hashimoto, T., Ohnishi, T., Umemura, K. A FIB Micro-Sampling Technique and a Site Specific TEM Specimen Preparation Method. Introduction to Focused Ion Beams. , Springer. Boston, MA. (2005).
  28. Park, J. S., et al. Low-defect-density Ge epitaxy on Si(001) using aspect ratio trapping and epitaxial lateral overgrowth. Electrochemical and Solid-State Letters. 12 (4), H142-H144 (2009).
  29. Li, Q., Jiang, Y. B., Xu, H., Hersee, S., Han, S. M. Heteroepitaxy of high-quality Ge on Si by nanoscale Ge seeds grown through a thin layer of SiO2. Applied Physics Letters. 85 (11), 1928-1930 (2004).
  30. Halbwax, M., et al. Epitaxial growth of Ge on a thin SiO2 layer by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition. Journal of Crystal Growth. 308 (1), 26-29 (2007).
  31. Leonhardt, D., Ghosh, S., Han, S. M. Origin and removal of stacking faults in Ge islands nucleated on Si within nanoscale openings in SiO2. Journal of Applied Physics. 10 (7), 073516(2011).
  32. Takada, Y., Osaka, J., Ishikawa, Y., Wada, K. Effect of Mesa Shape on Threading Dislocation Density in Ge Epitaxial Layers on Si after Post-Growth Annealing. Japanese Journal of Applied Physics. 49 (4S), 04DG23(2010).
  33. Ishikawa, Y., Wada, K. Germanium for silicon photonics. Thin Solid Films. 518 (6), S83-S87 (2010).
  34. Nagatomo, S., Ishikawa, Y., Hoshino, S. Near-infrared laser annealing of Ge layers epitaxially grown on Si for high-performance photonic devices. Journal of Vacuum Science & Technology B. 35 (5), 051206(2017).
  35. Ayers, J. E., Schowalter, L. J., Ghandhi, S. K. Post-growth thermal annealing of GaAs on Si(001) grown by organometallic vapor phase epitaxy. Journal of Crystal Growth. 125 (1), 329-335 (1992).
  36. Wang, G., et al. A model of threading dislocation density in strain-relaxed Ge and GaAs epitaxial films on Si (100). Applied Physics Letters. 94 (10), 102115(2009).
  37. Leonhardt, D., Ghosh, S., Han, S. M. Defects in Ge epitaxy in trench patterned SiO2 on Si and Ge substrates. Journal of Crystal Growth. 335 (1), 62-65 (2011).
  38. Sammak, A., Boer, W. B., Nanver, L. K. Ge-on-Si: Single-crystal selective epitaxial growth in a CVD reactor. ECS Transactions. 50 (9), 507-512 (2012).
  39. Ishikawa, Y., Wada, K., Cannon, D. D., Liu, J., Luan, H. C., Kimerling, L. C. Strain-induced band gap shrinkage in Ge grown on Si substrate. Applied Physics Letters. 82 (13), 2044-2046 (2003).
  40. Bolkhovityanov, Y. B., Gutakovskii, A. K., Deryabin, A. S., Sokolov, L. V. Edge Misfit Dislocations in GexSi1–x/Si(001) (x~1) Heterostructures: Role of Buffer GeySi1–y (y < x) Interlayer in Their Formation. Physics of the Solid State. 53 (9), 1791-1797 (2011).
  41. Bourret, A. How to control the self-organization of nanoparticles by bonded thin layers. Surface Science. 432 (1), 37-53 (1999).
  42. Hirth, J. P., Lothe, J. Grain boundaries. Theory of Dislocations, 2nd ed. 19, Wiley. New York, NY, USA. 697-750 (1982).
  43. Mizuno, Y., Yako, M., Luan, N. M., Wada, K. Strain tuning of Ge bandgap by selective epigrowth for electro-absorption modulators. Proceedings of SPIE Photonics West, San Francisco, CA, USA. 9367, 1-6 (2015).
  44. Nam, J. H., et al. Lateral overgrowth of germanium for monolithic integration of germanium-on-insulator on silicon. Journal of Crystal Growth. 416 (15), 21-27 (2015).
  45. Fitch, J. T. Selectivity Mechanisms in Low Pressure Selective Epitaxial Silicon Growth. Journal of The Electrochemical Society. 141 (4), 1046-1055 (1994).
  46. Ye, H., Yu, J. Germanium epitaxy on silicon. Science and Technology of Advanced Materials. 15 (2), 1-9 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Threading Dislocation DensityGermanium Epitaxial GrowthSelective Epitaxial GrowthSemicylindrical VoidsSilicon SubstratesTransmission Electron MicroscopyEtch Pit DensityUltra High Vacuum CVDSubstrate PatterningDislocation Image Force

Related Articles