Temperature dependence of the threading dislocation density in SiGe graded layers

This thesis investigates the impact of growth temperature on threading dislocation density (TDD) in SiGe linearly graded buffers grown on Si(001) substrates using low-energy plasma-enhanced chemical vapour deposition (LEPECVD). Minimizing TDDs in these structures is crucial for improving the performance of devices built on relaxed buffers. SiGe relaxed buffers composed of linearly graded epilayers were grown varying the growth temperature profile and final Ge content. X-ray diffraction (XRD) measurements confirm that all samples are fully relaxed, and their Ge content aligns with growth specifications. Atomic force microscopy (AFM) measurements show similar roughness levels in samples with different temperature profiles. Defect etching reveals a significant decrease in TDD with decreasing growth temperature, contrary to the trend commonly observed in similar structures grown using thermal chemical vapour deposition (CVD). Using a plasma-assisted technique such as LEPECVD, growth temperatures of 500-600°C degrees can be reached, much lower than the thermal CVD ones (800-900°C). This suggests that dislocation nucleation can be suppressed by maintaining a low temperature, glide-dominated relaxation regime, resulting in extremely low TDDs of 0.5x10^6 cm^−2 for 40% Ge content structures. Samples with reduced final Ge content confirm the result, showing that a low temperature, glide-dominated regime maintains a low TDD, independent of the alloy composition up to 40% Ge. These findings offer a new approach for minimizing threading dislocation densities in low Ge content graded buffers, paving the way for developing high-quality relaxed substrates for advanced semiconductor devices.

Questa tesi analizza l’impatto della temperatura di crescita sulla densità di dislocazioni threading (TDD) in substrati rilassati di SiGe graduati linearmente (graded buffer). In particolare, le strutture analizzate sono state cresciute su substrati in Si con la tecnica di crescita epitassiale low-energy plasma-enhanced chemical vapour deposition (LEPECVD). Minimizzare la TDD in tali strutture è cruciale per migliorare le prestazioni dei dispositivi fabbricati su di esse. A tale scopo, sono stati cresciuti graded buffer in SiGe variando il profilo di temperatura durante la crescita e la composizione finale della lega. Misure di diffrazione ai raggi X indicano che tutti i campioni sono completamente rilassati e che il loro contenuto di Ge corrisponde alle specifiche, mentre da immagini di microscopia a forza atomica (AFM) la rugosità appare comparabile in campioni aventi la stessa composizione finale. Evidenziando i difetti con la tecnica del defect etching si registra una significativa diminuzione della TDD al diminuire della temperatura di crescita, in forte contrasto con quanto osservato in strutture analoghe cresciute con tecniche di chemical vapour deposition termica (CVD). La tecnica LEPECVD, grazie al contributo del plasma, permette di mantenere temperature di crescita di 500-600°C, nettamente inferiori a quelle utilizzate nella CVD termica, che raggiungono gli 800-900°C. Questo suggerisce che si possa inibire la nucleazione di dislocazioni utilizzando basse temperature di crescita, mantenendo così un regime di rilassamento dominato dal glide. In questo modo, TDD estremamente ridotte (0.5x10^6cm^−2) possono essere ottenute in strutture con contenuto finale di Ge del 40%. Il risultato è stato confermato analizzando campioni con contenuto finale di Ge inferiore, che dimostrano come basse temperature di crescita e il conseguente regime di rilassamento dominato dal glide permettano di mantenere TDD ridotte per leghe contenenti fino al 40% di Ge. Questi risultati offrono un approccio innovativo per la minimizzazione della TDD nei graded buffer e il conseguente sviluppo di substrati rilassati di alta quantità per dispositivi a semiconduttore avanzati.