Epitaxial growth and characterization of Si1-xGex and GaN crystals on micrometer-sized silicon pillars

The integration of semiconductors on Si has a key role for future device applications. Indeed, the epitaxial growth of a semiconductor, with particular opto-electronic properties, on the well established CMOS technology platform, paves a way for the low cost production of high efficiency devices. However, in view of the mismatch between the lattice parameters and thermal expansion coefficients of the epitaxial layer and the substrate, the heteroepitaxy of dissimilar semiconductors is accompanied by several drawbacks: formation of misfit and threading dislocations , wafer bowing and cracks. Dislocations spoil the efficiency of opto-electronic devices, while wafer bowing and cracks impede any wafer processing. Here we demonstrate a viable approach to epitaxially grow several micrometers thick SiGe crystals, with no emerging threading dislocations and zero residual strain, on silicon substrates patterned by means of arrays of square micrometer-sized pillars. This innovative growth approach, named 3D-heteroepitaxy, is based on the self limited lateral growth of the crystals. Indeed, thanks to the out-of-equilibrium growth conditions and the flux shielding of the reactive gas between neighboring crystals, highly non conformal growth can be achieved. The morphology of the crystals strongly depends on the competing growth velocities of each facet and it can be finely tuned by varying the growth temperature. Dislocation density and stability has been investigated, demonstrating that threading dislocation-free Ge crystals with (001) top surface can be obtained. The excellent crystalline quality of threading dislocation-free Ge crystals has been confirmed by photoluminescence measurements, showing spectral shape and interband recombination intensity comparable with a bulk Ge reference, and by X-Ray nano-diffraction. X-Ray diffraction measurements and finite element method calculations, show that each Ge crystal relaxes elastically the tensile thermal strain, thus avoiding wafer bowing and cracks. GaN/AlN crystals have been also deposited on patterned (001) Si substrates. The novelty of our approach consists in depositing firstly 2.5 µm of Si to obtain crystals with large {111} facets. GaN crystals, 3 µm thick, deposited on Si pillars show smooth and coalesced facets with a RMS surface roughness of 0.7 nm. The optical quality has been analyzed by photo and chatodoluminescence measurements showing no yellow emission and strong bound exciton peak recombination (FWHM = 9.8 meV) on the {111} Si facet region.

L'integrazione di semiconduttori su silicio ha un ruolo chiave per lo sviluppo futuro di dispositivi. Infatti, la crescita epitassiale di un semiconduttore, con particolari proprieta' opto-elettroniche, sull'affermata piattaforma CMOS, rappresenta una strada per la produzione a basso costo di dispositivi ad alte prestazioni. D'altronde, a causa della differenza tra i passi reticolari e i coefficienti di espansione termica tra lo strato epitassiale e il substrato, l'eteroepitassia di semiconduttori differenti e' accompagnata da svariati inconvenienti: formazione di dislocazioni di misfit e threading, piegamento del campione e fratture. Le dislocazioni riducono l'efficienza dei dispositivi opto-elettronici, mentre il piegamento del campione e le fratture impediscono di effetuare qualunque processo. In questo lavoro dimostriamo un approccio per crescere epitassialmente dei cristalli di SiGe spessi svariati micrometri, senza dislocazioni threading affioranti in superficie e zero strain residuo, su substrati di Si lavorati realizzando delle matrici di pilastri di dimensioni micrometriche. Questa tecnica di crescita innovativa, chiamata eteroepitassia 3D, si basa sulla crescita laterale autolimitata dei cristalli. Infatti, grazie alle condizioni di crescita fuori equilibrio e allo schermaggio del flusso dei gas reattivi tra pilastri adiacenti, si ottiene una crescita largamente non conforme. La morfologia dei cristalli dipende fortemente dalle relative velocita' di crescita di ogni faccia e puo' essere modificata finemente cambiando la temperatura di crescita. La stabilita' e densita' delle dislocazioni e' stata investigata, dimostrando la possibilita' di ottenere cristalli di Ge, terminati da superficie (001), con nessuna dislocazione threading emergente. L'eccelente qualita' cristallina del materiale senza dislocazioni threading e' stata confermata sia da misure di fotoluminescenza, le quali mostrano una forma spettrale e intensita' di ricombinazione interbanda confrontabili con un substrato bulk di Ge, sia da X-Ray nano-diffrazione. Misure di X-Ray diffrazione e calcoli con metodo ad elemeti finiti, mostrano che ogni cristallo di Ge rilassa elasticamente lo strain tensile, quindi evitando il piegamento del campione e le formazione di fratture. Cristalli di GaN/AlN sono stati anche cresciuti su substrati lavorati (001) di silicio. La novita' del nostro approccio consiste nel depositare in primo luogo 2.5 µm di Si per ottenere cristalli con facce {111} estese. Cristalli di GaN, spessi 3 µm, depositati sui pilastri di Si, mostrano facce cristalline lisce e continue con RMS della rugosita' superficiale di 0.7 nm. La qualita' ottica e' stata analizzata tramite foto e catodoluminescenza, mostrando nessuna emissione nella regione del giallo ed intensa ricombinazione da eccitone legato (FWHM = 9.8 meV) per il materiale depositato sulle facce {111} del Si.