Obliczenia teoretyczne i weryfikacja eksperymentalna redukcji dyslokacji w warstwach epitaksjalnych germanu z półcylindrycznymi pustkami na krzemie

German o niskim przemieszczeniu gwintu jest bardzo ważny do realizacji wysokowydajnych krzemowych układów fotonicznych. Puste przestrzenie na granicy faz german-silikon działają jak zlewozmywaki dyslokacyjne w celu zmniejszenia gęstości przemieszczenia gwintu. Procedurę zademonstruje Mohammed Faiz, mistrz z mojego laboratorium.

Na początek zdefiniuj obszary wzrostu germanu, przygotowując plik projektowy z wzorami linii i przestrzeni oraz kwadratowymi obszarami okien krzemowych za pomocą komercyjnego oprogramowania. Następnie przygotuj selektywną maskę wzrostu epitaksjalnego, określając szerokość okna i szerokość maski, rysując prostokąty, klikając otwórz plik, a następnie strukturę i opcję prostokąta lub polilinii za pomocą oprogramowania. Aby przygotować podłoża z krzemu p domieszkowanego borem o rezystywności od jednego do 100 omów, należy otworzyć pokrywę pieca rurowego i załadować podłoża krzemowe do pieca za pomocą szklanego pręta.

Rozpocznij wdmuchiwanie suchego azotu do pieca, otwierając zawór gazowy. Następnie ustaw natężenie przepływu gazu na 0,5 litra na minutę, sterując zaworem. Ustaw temperaturę wyżarzania, zmieniając program.

Gdy temperatura osiągnie 900 stopni Celsjusza, zamknij zawór suchego azotu. Otwórz zawór suchego tlenu i trzymaj go przez dwie godziny. Utlenione podłoża silikonowe pokryć środkiem powierzchniowo czynnym za pomocą powlekarki wirowej, a następnie piec w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez 90 sekund na gorącej płycie.

Po nałożeniu powłoki środkiem powierzchniowo czynnym pokryj podłoża silikonowe fotorezystem za pomocą powlekarki wirowej, jak pokazano wcześniej. A następnie piecz w temperaturze 180 stopni Celsjusza przez pięć minut na gorącym talerzu. Po przygotowaniu wywoływacza fotorezystu i płukaniu dla wywoływacza w komorze roboczej, zanurz odsłonięte podłoża silikonowe w wywoływaczu na 60 sekund w temperaturze pokojowej.

Następnie połóż rozwinięte podłoża silikonowe na gorącej płycie, aby piec w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez 90 sekund. Następnie zanurz podłoża silikonowe w buforowanym kwasie fluorowodorowym na jedną minutę w celu usunięcia części warstw dwutlenku krzemu wystawionych na działanie powietrza w wyniku ekspozycji na wiązkę elektronów i rozwoju. Aby usunąć fotorezystu z podłoży silikonowych, zanurz się w organicznym usuwaczu fotorezystu na 15 minut, a następnie w 0,5% rozcieńczonym kwasie fluorowodorowym na cztery minuty, aby usunąć cienki natywny tlenek w obszarach okien, ale zachować maski z dwutlenku krzemu.

W celu epitaksjalnego wzrostu germanu załaduj silikon z selektywnymi epitaksjalnymi maskami wzrostu do komory załadunku. Ustaw główną temperaturę wzrostu bufora w zakładce Receptura pokazanej na komputerze operacyjnym. Po określeniu czasu trwania głównego wzrostu germanu, tak aby selektywne warstwy germanu o wzroście epitaksjalnym łączyły się z sąsiednimi, kliknij Start w oknie głównym, a podłoże silikonowe zostanie automatycznie przeniesione do komory wzrostowej.

Ponieważ podłoże silikonowe jest automatycznie przenoszone z komory wzrostu do komory blokady załadunku, należy odpowietrzyć komorę blokady ładunku i ręcznie rozładować podłoże silikonowe. W celu pomiaru gęstości wytrawiania należy rozpuścić 32 miligramy jodu w 67 mililitrach kwasu octowego za pomocą myjki ultradźwiękowej. Zmieszaj rozpuszczony w jodach kwas octowy z 20 mililitrami kwasu azotowego i 10 mililitrami kwasu fluorowodorowego.

Zanurz podłoża silikonowe wyhodowane w germanie w roztworze kwaśnego koktajlu na pięć do siedmiu sekund, aby utworzyć wytrawione pestki. Obserwuj wytrawione powierzchnie germanu za pomocą mikroskopu optycznego, aby upewnić się, że wytrawione wżery zostały pomyślnie uformowane. Aby policzyć wytrawione wgłębienia, umieść wytrawioną próbkę germanu na stoliku AFM, a następnie zbliż się do sondy, klikając automatyczne podejście.

Określ obszar obserwacji za pomocą mikroskopu optycznego zintegrowanego z AFM i zeskanuj pięć różnych obszarów o wymiarach 10 na 10 mikrometrów. Obliczono gęstości dyslokacji gwintowania w germarze koalescencyjnym pochodzącym ze 113 fasetowanych i okrągłych selektywnych epitaksjalnych germanów, wykazując, że generowanie dyslokacji gwintów występuje tylko na granicy faz, a gęstości dyslokacji powinny być zmniejszane wraz ze współczynnikiem apertury. Uzyskano obrazy SEM i mapy rozmieszczenia zlanych lub niekoalescencyjnych warstw germanu, z których wynika, że koalescencja zachodziła, gdy szerokość okna jest mniejsza niż jeden mikrometr.

Gęstość przemieszczenia gwintu dla germanu koalescencyjnego i kocowego została zbadana za pomocą AFM, z którego wynika, że grubość warstw germanu została zmniejszona dla tych uprawianych w temperaturze 700 stopni Celsjusza. Interakcja przemieszczenia gwintu z powierzchnią była monitorowana za pomocą obrazów STEM i TEM połączonych warstw germanu, wykazując, że akumulacja odkształceń zachodzi w górnej części półcylindrycznych pustek i relaksacja odkształceń w podpowierzchniowej warstwie pustek w celu zminimalizowania jego energii podczas lub po wzroście. Obrazy TEM koalescencyjnej i kocowej warstwy germanu pokazują, że długość linii defektów w koalescencyjnym germie jest dłuższa niż w kocu.

Obrazy TEM małego obszaru o dużej gęstości przemieszczeń gwintów uzyskano dla dyslokacji nachylenia, co wskazuje, że przemieszczenie zniknęło po zmianie wektora dyfrakcji G. Podczas gdy dyslokacja mieszana nie zniknęła, niezależnie od wybranego wektora dyfrakcyjnego G. Najważniejszym protokołem w tej procedurze jest modelowanie podłoża za pomocą litografii, a następnie wzrost epitaksjalny germanu.

I niestety, ze względu na różnicę maszynową, nie możemy bezpośrednio pokazać protokołu. Zamiast używać wiązki elektronów, i-line step jest również jedną z maszyn, które mogą wykonywać wzory i nakładać na epitaksjal germanu na różnych typach drugiego podłoża.