Theoretische berekening en experimentele verificatie voor dislocatiereductie in Germanium epitaxiale lagen met semicylindrische holtes op silicium
17 juli 2020
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.
Germanium met lage draadverdraaiing is erg belangrijk om hoogwaardige siliciumfotonische chips te realiseren. Leeggtes op de germanium-silicium-interface werken als dislocatieputten om de dichtheid van de draadverdraaiing te verminderen. Mohammed Faiz, een masterstudent uit mijn laboratorium, zal de procedure demonstreren.
Om te beginnen, definieer germaniumgroeigebieden door een ontwerpbestand voor te bereiden met lijn- en spatiepatronen en vierkante siliconenvenstergebieden met commerciële software. Bereid vervolgens een selectieve epitaxiale groeimask voor door de vensterbreedte en maskerbreedte te bepalen, terwijl u rechthoeken tekent door het open bestand te klikken, vervolgens structuur en rechthoek- of polylijnoptie met behulp van de software. Om boor-gedopte p-siliciumsubstraten met een weerstand van één tot 100 ohm centimeter te bereiden, opent u het deksel op de buisoven en laadt u de siliciumsubstraten in de oven met behulp van een glazen staaf.
Begin met het blazen van stikstofgas in de oven door het gasventiel te openen. Stel vervolgens de gasstroomsnelheid in op 0,5 liter per minuut door het ventieldicht te regelen. Stel de gloeitemperatuur in door het programma te wijzigen.
Zodra de temperatuur 900 graden Celsius bereikt, sluit u het droge stikstofventiel. Open het droge zuurstofventiel en houd het gedurende twee uur open. Bekleed de geoxideerde siliconensubstraten met een oppervlakteactieve stof met behulp van een spincoater en bak het vervolgens 110 graden Celsius gedurende 90 seconden op een hete plaat.
Na het coaten met de oppervlakteactieve stof, bekleedt u de siliconensubstraten met een fotoresist met behulp van een spincoater zoals eerder gedemonstreerd. Bak vervolgens 180 graden Celsius gedurende vijf minuten op een hete plaat. Na het voorbereiden van een fotoresistontwikkelaar en een spoelmiddel voor de ontwikkelaar in een tochtkamer, dompelt u de blootgestelde siliconensubstraten 60 seconden in de ontwikkelaar bij kamertemperatuur.
Leg vervolgens de ontwikkelde siliconensubstraten op een hete plaat om 110 graden Celsius gedurende 90 seconden te bakken. Dompel de siliconensubstraten vervolgens een minuut in een gebufferde fluorwaterstofzuur om een deel van de siliciumdioxidelagen te verwijderen die aan de lucht zijn blootgesteld als gevolg van blootstelling aan elektrobundel en ontwikkeling. Om de fotoresist van de siliconensubstraten te verwijderen, dompelt u deze 15 minuten in een organische fotoresistverwijderaar en vervolgens 4 minuten in 0,5% verdunde fluorwaterstofzuur om het dunne native oxide in de vensterregio's te verwijderen, maar om de siliciumdioxidemaskers te behouden.
Voor epitaxiale germaniumgroei, laadt u de siliconen met selectieve epitaxiale groeimask in een laadvergrendelingskamer. Stel de belangrijkste groeitemperatuur in de recepttab in die op de operatiecomputer wordt weergegeven. Nadat u de duur van de belangrijkste germaniumgroei hebt bepaald, zodat de selectieve epitaxiale germaniumgroeilaagjes met elkaar versmelten, klikt u op Start in het hoofdvenster en wordt het siliconensubstraat automatisch overgebracht naar de groeikam.
Zodra het siliconensubstraat automatisch van de groeikam naar de laadvergrendelingskam wordt overgebracht, laat u de laadvergrendelingskam lucht en ontlast u het siliconensubstraat handmatig. Voor etsputdichtheidsmetingen, lost u 32 milligram jodium op in 67 milliliter azijnzuur met behulp van een ultrasone reinigingsmachine. Meng het jodium-opgeloste azijnzuur met 20 milliliter salpeterzuur en 10 milliliter fluorwaterstofzuur.
Dompel de germaniumgeteelde siliconensubstraten vijf tot zeven seconden in de zuurcocktailoplossing om geëtste putjes te vormen. Observeer de geëtste germaniumoppervlakken met een optische microscoop om er zeker van te zijn dat er succesvol geëtste putjes zijn gevormd. Om de geëtste putjes te tellen, plaatst u het geëtste germaniummonster op een AFM-standaard en benadert vervolgens de sonde door op automatische benadering te klikken.
Bepaal het observatiegebied met behulp van een optische microscoop geïntegreerd met een AFM en scant vijf verschillende gebieden van 10 bij 10 micrometer. De dichtheid van de draadverdraaiing in het samengesmolten germanium, afkomstig van 113 gefacetteerd en rondvormig selectief epitaxiaal gegroeid germanium, werd berekend, wat aantoont dat de generatie van draadverdraaiing alleen plaatsvindt op interfaces en dat de dichtheid van de draadverdraaiing moet worden verminderd met de openingverhouding. SEM-beelden en verdelingskaarten van samengesmolten of niet-samengesmolten germaniumlagen werden verkregen, wat aantoont dat de samensmelting plaatsvond wanneer de vensterbreedte kleiner is dan één micrometer.
De dichtheid van de draadverdraaiing voor samengesmolten en dekselvormig germanium werd bestudeerd met behulp van AFM, wat aantoont dat de dikte van germaniumlagen werd verminderd voor diegenen die bij 700 graden Celsius werden gekweekt. De interactie van draadverdraaiing met het oppervlak werd gemonitord door STEM- en TEM-beelden van samengesmolten germaniumlagen, wat aantoont dat spanningsaccumulatie optreedt aan de bovenkant van de semicilindrische leeggtes en spanningsontspanning in de ondergrondse laag van de leeggtes om de energie ervan te minimaliseren tijdens of na de groei. De TEM-beelden van een samengesmolten en dekselvormige germaniumlaag tonen aan dat de lengte van de defectlijnen in samengesmolten germanium langer is dan die in een deksel.
TEM-beelden van een klein gebied met hoge dichtheid van draadverdraaiing werden verkregen voor hellende dislocaties, wat aangeeft dat de schroefdislocatie verdween toen vector G werd gewijzigd. Terwijl de gemengde dislocatie niet verdween, ongeacht welke diffractievector G werd gekozen. Het belangrijkste protocol in deze procedure is het patroon van het substraat door middel van lithographie, gevolgd door een germanium epitaxiale groei.
En helaas kunnen we vanwege het verschil in machines het protocol niet direct laten zien. In plaats van een elektronenbundelschrijver te gebruiken, is een i-line stap ook een van de machines die het patroon kan maken en kan worden toegepast op germanium epitaxiaal op een ander type tweede substraat.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het verminderen van de dichtheid van threading dislocaties in germanium epitaxiale lagen met behulp van semicilindrische holtes op silicium. De benadering combineert theoretische berekeningen met experimentele verificatie om de kwaliteit van germanium voor silicium fotonische toepassingen te verbeteren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalwetenschap
- Halfgeleiderfysica
- Fotonische apparaten
Achtergrond
- Threading dislocaties kunnen de prestaties van halfgeleidermateriaal aanzienlijk beïnvloeden.
- Germanium is cruciaal voor hoogwaardige silicium fotonische chips.
- Holtes op de germanium-silicium interface dienen als dislocatieputten.
- Het verminderen van de dislocatie dichtheid is essentieel voor het verbeteren van de materiaalkwaliteit.
Doel van de studie
- Om een methode te demonstreren voor het verminderen van de dichtheid van threading dislocaties in germanium lagen.
- Om theoretische berekeningen te valideren met experimentele resultaten.
- Om de prestaties van silicium fotonische apparaten te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Theoretische berekeningen gebaseerd op de interactie van threading dislocaties en oppervlakte via beeldkracht.
- Meting van de dichtheid van threading dislocaties.
- Transmissie-elektronenmicroscopie waarnemingen van threading dislocaties.
- Bereiding van selectieve epitaxiale groeimaskers en boor-gedopeerde p-silicium substraten.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle vermindering van de dichtheid van threading dislocaties in germanium lagen.
- Validatie van theoretische modellen door middel van experimentele waarnemingen.
- Demonstratie van de effectiviteit van holtes als dislocatieputten.
- Verbeterde kwaliteit van germanium voor fotonische toepassingen.
Conclusies
- De voorgestelde methode reduceert effectief de dichtheid van threading dislocaties.
- De bevindingen ondersteunen het gebruik van holtes om de kwaliteit van halfgeleidermateriaal te verbeteren.
- Dit onderzoek draagt bij aan de vooruitgang in silicium fotonische technologie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Reducing threading dislocation density (TDD) in germanium epitaxial layers on silicon is critical for advancing monolithic integration in photonic device manufacturing. This work demonstrates a validated approach for TDD reduction using semicylindrical voids, directly impacting material quality and device reliability at the discovery-to-development interface. The method supports predictive confidence in substrate engineering, enabling risk-adjusted progression of photonic and semiconductor portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of defect reduction mechanisms in engineered substrates.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying the role of voids as dislocation sinks.
- Facilitates functional validation of substrate modifications for downstream device integration.
Screening & Assay Development
- Provides standardized protocols for measuring TDD via etch pit density and TEM imaging.
- Enables reproducible assessment of substrate quality for high-throughput screening of growth conditions.
- Supports platform scalability by defining mask and growth parameters for consistent results.
Translational & Preclinical Research
- Aligns substrate engineering with translational requirements for photonic device fabrication.
- Ensures continuity from theoretical modeling to experimental verification, reducing late-stage risk.
- Improves predictive value for material performance in preclinical device prototypes.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates at the substrate engineering and early device development stages, bridging theoretical modeling with experimental validation for photonic and semiconductor workflows.
- Discovery Biology: Quantifies the impact of void-induced dislocation bending and termination on substrate quality.
- Screening: Standardizes TDD measurement for comparative analysis of growth conditions and mask designs.
- Analytics: Delivers quantitative outputs via etch pit density and TEM, supporting data-driven decision-making.
- Translational Research: Provides a validated substrate modification strategy for preclinical device integration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable protocol for substrate quality improvement across photonic and semiconductor projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in substrate engineering and defect management.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization of TDD reduction protocols.
- Strategic Value: Reduces risk of device failure due to substrate defects, supporting efficient go/no-go decisions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of substrate and device development programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in substrate patterning, selective epitaxial growth, and advanced microscopy.
- Demands access to ultra-high vacuum CVD, lithography, and TEM/AFM instrumentation.
- Necessitates cross-team standardization of mask design and growth parameters.
- Adaptable to different substrate types with appropriate patterning and process adjustments.
- Dependent on precise control of growth temperature and mask geometry for optimal TDD reduction.
