The recently developed precession electron diffraction (PED) technique in scanning transmission electron microscopy has been used to elucidate the local strain distribution and crystalline misorientation in a CMOS fabricated strained Ge microdisk structure grown on a Si substrate. Tensile strained Ge and GeSn structures are considered to be potential CMOS compatible optical sources, as both Sn alloying and strain can lead to a direct band-structure and lasing. The ability to take nanometer resolution, experimental measurements of the cross-sectional strain distribution, is important to understand modal gain and, therefore, ultimate device performance. In this work, we demonstrate PED techniques to measure the cross-sectional strain field in tensile Ge microdisks strained by SiN stressors. The strain maps are interpreted and compared with a finite element model of the strain in the investigated structure, which shows good agreement, and, therefore, highlights the applicability of PED techniques for mapping strained photonic structures. The technique also allows for the observation of strain relaxation due to dislocation pileup, further demonstrating the benefit of such experimental techniques.

1.
Y.
Song
,
H.
Zhou
,
Q.
Xu
,
J.
Luo
,
H.
Yin
,
J.
Yan
, and
H.
Zhong
,
J. Electron. Mater.
40
,
1584
(
2011
).
2.
Y.
Kang
,
H.-D.
Liu
,
M.
Morse
,
M. J.
Paniccia
,
M.
Zadka
,
S.
Litski
,
G.
Sarid
,
A.
Pauchard
,
Y.-H.
Kuo
,
H.-W.
Chen
,
W. S.
Zaoui
,
J. E.
Bowers
,
A.
Beling
,
D. C.
McIntosh
,
X.
Zheng
, and
J. C.
Campbell
,
Nat. Photonics
3
,
59
63
(
2009
).
3.
Y.-H.
Kuo
,
Y. K.
Lee
,
Y.
Ge
,
S.
Ren
,
J. E.
Roth
,
T. I.
Kamins
,
D. A. B.
Miller
, and
J. S.
Harris
,
Nature
437
,
1334
1336
(
2005
).
4.
J. E.
Roth
,
O.
Fidaner
,
R. K.
Schaevitz
,
Y.-H.
Kuo
,
T. I.
Kamins
,
J. S.
Harris
, and
D. A. B.
Miller
,
Opt. Express
15
,
5851
5859
(
2007
).
5.
R. E.
Camacho-Aguilera
,
Y.
Cai
,
N.
Patel
,
J. T.
Bessette
,
M.
Romagnoli
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Express
20
,
11316
11320
(
2012
).
6.
J. F.
Liu
,
X. C.
Sun
,
R.
Camacho-Aguilera
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Lett.
35
,
679
681
(
2010
).
7.
R.
Koerner
,
M.
Oehme
,
M.
Gollhofer
,
M.
Schmid
,
K.
Kostecki
,
S.
Bechler
,
D.
Widmann
,
E.
Kasper
, and
J.
Schulze
,
Opt. Express
23
,
14815
14822
(
2015
).
8.
M. R.
Barget
,
M.
Virgilio
,
G.
Capellini
,
Y.
Yamamoto
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
121
,
245701
(
2017
).
9.
M.
El Kurdi
,
M.
Prost
,
A.
Ghrib
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
G.
Beaudoin
,
I.
Sagnes
,
G.
Picardi
,
R.
Ossikovski
, and
P.
Boucaud
,
ACS Photonics
3
,
443
448
(
2016
).
10.
M. J.
Süess
,
R.
Geiger
,
R. A.
Minamisawa
,
G.
Schiefler
,
J.
Frigerio
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
R.
Spolenak
,
J.
Faist
, and
H.
Sigg
,
Nat. Photonics
7
,
466
(
2013
).
11.
D. S.
Sukhdeo
,
D.
Nam
,
J.-H.
Kang
,
M. L.
Brongersma
, and
K. C.
Saraswat
,
Photonics Res.
2
,
A8
A13
(
2014
).
12.
S.
Bao
,
D.
Kim
,
C.
Onwukaeme
,
S.
Gupta
,
K.
Saraswat
,
K. H.
Lee
,
Y.
Kim
,
D.
Min
,
Y.
Jung
,
H.
Qiu
,
H.
Wang
,
E. A.
Fitzgerald
,
C. S.
Tan
, and
D.
Nam
,
Nat. Commun.
8
,
1845
(
2017
).
13.
R. W.
Millar
,
K.
Gallacher
,
J.
Frigerio
,
A.
Ballabio
,
A.
Bashir
,
I.
MacLaren
,
G.
Isella
, and
D. J.
Paul
,
Opt. Express
24
,
4365
4374
(
2016
).
14.
A.
Elbaz
,
M.
El Kurdi
,
A.
Aassime
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
I.
Sagnes
,
C.
Baudot
,
F.
Boeuf
, and
P.
Boucaud
,
APL Photonics
3
,
106102
(
2018
).
15.
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
N.
von den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Stoica
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
M.
Luysberg
,
S.
Chiussi
,
J. M.
Hartmann
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
D.
Buca
, and
D.
Grützmacher
,
Nat. Photonics
9
,
88
92
(
2015
).
16.
J.
Margetis
,
S.
Al-Kabi
,
W.
Du
,
W.
Dou
,
Y.
Zhou
,
T.
Pham
,
P.
Grant
,
S.
Ghetmiri
,
A.
Mosleh
,
B.
Li
,
J.
Liu
,
G.
Sun
,
R.
Soref
,
J.
Tolle
,
M.
Mortazavi
, and
S.-Q.
Yu
,
ACS Photonics
5
,
827
833
(
2018
).
17.
V.
Reboud
,
A.
Gassenq
,
N.
Pauc
,
J.
Aubin
,
L.
Milord
,
Q. M.
Thai
,
M.
Bertrand
,
K.
Guilloy
,
D.
Rouchon
,
J.
Rothman
,
T.
Zabel
,
F.
Armand Pilon
,
H.
Sigg
,
A.
Chelnokov
,
J. M.
Hartmann
, and
V.
Calvo
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
092101
(
2017
).
18.
D.
Stange
,
N.
von den Driesch
,
T.
Zabel
,
F.
Armand-Pilon
,
D.
Rainko
,
B.
Marzban
,
P.
Zaumseil
,
J.-M.
Hartmann
,
Z.
Ikonic
,
G.
Capellini
,
S.
Mantl
,
H.
Sigg
,
J.
Witzens
,
D.
Grützmacher
, and
D.
Buca
,
ACS Photonics
5
,
4628
4636
(
2018
).
19.
Q. M.
Thai
,
N.
Pauc
,
J.
Aubin
,
M.
Bertrand
,
J.
Chrétien
,
V.
Delaye
,
A.
Chelnokov
,
J.-M.
Hartmann
,
V.
Reboud
, and
V.
Calvo
,
Opt. Express
26
,
32500
32508
(
2018
).
20.
S.
Wirths
,
Z.
Ikonic
,
A. T.
Tiedemann
,
B.
Holländer
,
T.
Stoica
,
G.
Mussler
,
U.
Breuer
,
J. M.
Hartmann
,
A.
Benedetti
,
S.
Chiussi
,
D.
Grützmacher
,
S.
Mantl
, and
D.
Buca
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
192110
(
2013
).
21.
D.
Rainko
,
Z.
Ikonic
,
A.
Elbaz
,
N.
von den Driesch
,
D.
Stange
,
E.
Herth
,
P.
Boucaud
,
M.
El Kurdi
,
D.
Grützmacher
, and
D.
Buca
,
Sci. Rep.
9
,
259
(
2019
).
22.
Y.
Liu
,
C.
Fang
,
X.
Gao
,
G.
Han
,
Q.
Zhang
,
Y.
Shao
,
J.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
IEEE Photonics J.
10
,
1
9
(
2018
).
23.
R. W.
Millar
,
D. C. S.
Dumas
,
K. F.
Gallacher
,
P.
Jahandar
,
C.
MacGregor
,
M.
Myronov
, and
D. J.
Paul
,
Opt. Express
25
,
25374
25385
(
2017
).
24.
C. S.
Fenrich
,
X.
Chen
,
R.
Chen
,
Y.-C.
Huang
,
H.
Chung
,
M.-Y.
Kao
,
Y.
Huo
,
T. I.
Kamins
, and
J. S.
Harris
,
ACS Photonics
3
,
2231
2236
(
2016
).
25.
I.
Robinson
and
R.
Harder
,
Nat. Mater.
8
,
291
298
(
2009
).
26.
T.
Vreeland
and
B. M.
Paine
,
J. Vac. Sci. Technol. A
4
,
3153
3159
(
1986
).
27.
V.
Senez
,
A.
Armigliato
,
I.
De Wolf
,
G.
Carnevale
,
R.
Balboni
,
S.
Frabboni
, and
A.
Benedetti
,
J. Appl. Phys.
94
,
5574
5583
(
2003
).
28.
J. C.
Tsang
,
P. M.
Mooney
,
F.
Dacol
, and
J. O.
Chu
,
J. Appl. Phys.
75
,
8098
8108
(
1994
).
29.
J.
Greil
,
A.
Lugstein
,
C.
Zeiner
,
G.
Strasser
, and
E.
Bertagnolli
,
Nano Lett.
12
,
6230
6234
(
2012
).
30.
A.
Béché
,
J. L.
Rouvière
,
J. P.
Barnes
, and
D.
Cooper
,
Ultramicroscopy
131
,
10
23
(
2013
).
31.
M. J.
Hÿtch
,
E.
Snoeck
, and
R.
Kilaas
,
Ultramicroscopy
74
,
131
146
(
1998
).
32.
F.
Hüe
,
M.
Hÿtch
,
H.
Bender
,
F.
Houdellier
, and
A.
Claverie
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
156602
(
2008
).
33.
C.-Y.
Wen
,
M. C.
Reuter
,
D.
Su
,
E. A.
Stach
, and
F. M.
Ross
,
Nano Lett.
15
,
1654
1659
(
2015
).
34.
J.
Chung
,
G.
Lian
, and
L.
Rabenberg
,
IEEE Electron Device Lett.
31
,
854
856
(
2010
).
35.
D.
Cooper
,
J.-P.
Barnes
,
J.-M.
Hartmann
,
A.
Béché
, and
J.-L.
Rouvière
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
053501
(
2009
).
36.
A.
Armigliato
,
R.
Balboni
,
G. P.
Carnevale
,
G.
Pavia
,
D.
Piccolo
,
S.
Frabboni
,
A.
Benedetti
, and
A. G.
Cullis
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
2172
2174
(
2003
).
37.
M.
Kim
,
J. M.
Zuo
, and
G.-S.
Park
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
2181
2183
(
2004
).
38.
M.
Hÿtch
,
F.
Houdellier
,
F.
Hüe
, and
E.
Snoeck
,
Nature
453
,
1086
1089
(
2008
).
39.
A.
Béché
,
J. L.
Rouvière
,
J. P.
Barnes
, and
D.
Cooper
,
Ultramicroscopy
111
,
227
238
(
2011
).
40.
V.
Boureau
,
R.
McLeod
,
B.
Mayall
, and
D.
Cooper
,
Ultramicroscopy
193
,
52
63
(
2018
).
41.
V. V.
Hoang
,
Y.
Cho
,
J. H.
Yoo
,
S.-K.
Hong
,
Y. H.
Choi
,
S.
Choi
,
W.
Jung
,
C. K.
Jeong
, and
J.-M.
Yang
,
Microscopy
65
,
499
507
(
2016
).
42.
D.
Cooper
,
C.
Le Royer
,
A.
Béché
, and
J.-L.
Rouvière
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
233121
(
2012
).
43.
A.
Armigliato
,
S.
Frabboni
, and
G. C.
Gazzadi
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
161906
(
2008
).
44.
F.
Uesugi
,
A.
Hokazono
, and
S.
Takeno
,
Ultramicroscopy
111
,
995
998
(
2011
).
45.
A.
Béché
,
J. L.
Rouvière
,
L.
Clément
, and
J. M.
Hartmann
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
123114
(
2009
).
46.
D.
Cooper
,
A.
Béché
,
J. M.
Hartmann
,
V.
Carron
, and
J.-L.
Rouvière
,
Semicond. Sci. Technol.
25
,
095012
(
2010
).
47.
R.
Vincent
and
P. A.
Midgley
,
Ultramicroscopy
53
,
271
282
(
1994
).
48.
J.-L.
Rouvière
,
A.
Béché
,
Y.
Martin
,
T.
Denneulin
, and
D.
Cooper
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
241913
(
2013
).
49.
A. D.
Darbal
,
R. D.
Narayan
,
C.
Vartuli
,
G.
Lian
,
R.
Graham
,
F.
Shaapur
,
S.
Nicolopoulos
, and
J. K.
Weiss
,
Microsc. Microanal.
19
,
702
703
(
2013
).
50.
M. U.
Farooq
,
R.
Villaurrutia
,
I.
MacLaren
,
H.
Kungl
,
M. J.
Hoffmann
,
J. J.
Fundenberger
, and
E.
Bouzy
,
J. Microsc.
230
,
445
454
(
2008
).
51.
D.
Cooper
,
N.
Bernier
, and
J.-L.
Rouvière
,
Nano Lett.
15
,
5289
5294
(
2015
).
52.
D.
Cooper
,
T.
Denneulin
,
N.
Bernier
,
A.
Béché
, and
J.-L.
Rouvière
,
Micron
80
,
145
165
(
2016
).
53.
S.
Estradé
,
J.
Portillo
,
J.
Mendoza
,
I.
Kosta
,
M.
Serret
,
C.
Müller
, and
F.
Peiró
,
Micron
43
,
910
915
(
2012
).
54.
A. D.
Darbal
,
R. D.
Narayan
,
C.
Vartuli
,
T.
Aoki
,
J.
Mardinly
,
S.
Nicolopoulos
, and
J. K.
Weiss
,
Microsc. Microanal.
20
,
1066
1067
(
2014
).
55.
G.
Isella
,
D.
Chrastina
,
B.
Rössner
,
T.
Hackbarth
,
H. J.
Herzog
,
U.
König
, and
H.
von Känel
,
Solid-State Electron.
48
,
1317
1323
(
2004
).
56.
M. M.
Mirza
,
H.
Zhou
,
P.
Velha
,
X.
Li
,
K. E.
Docherty
,
A.
Samarelli
,
G.
Ternent
, and
D. J.
Paul
,
J. Vac. Sci. Technol. B
30
,
06FF02
(
2012
).
57.
R. W.
Millar
,
K.
Gallacher
,
A.
Samarelli
,
J.
Frigerio
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
T.
Dieing
, and
D. J.
Paul
,
Opt. Express
23
,
18193
18202
(
2015
).
58.
M.
Schaffer
,
B.
Schaffer
, and
Q.
Ramasse
,
Ultramicroscopy
114
,
62
71
(
2012
).
59.
D.
Tomus
and
H. P.
Ng
,
Micron
44
,
115
119
(
2013
).
60.
E. F.
Rauch
,
J.
Portillo
,
S.
Nicolopoulos
,
D.
Bultreys
,
S.
Rouvimov
, and
P.
Moeck
,
Z. Krist. Cryst. Mater.
225
,
103
109
(
2010
).
61.
S.
Reboh
,
P.
Morin
,
M. J.
Hÿtch
,
F.
Houdellier
, and
A.
Claverie
,
APL Mater.
1
,
042117
(
2013
).
62.
A.
Ghrib
,
M.
El Kurdi
,
M.
de Kersauson
,
M.
Prost
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
G.
Beaudoin
,
I.
Sagnes
, and
P.
Boucaud
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
221112
(
2013
).
63.
M. M. J.
Treacy
,
J. M.
Gibson
, and
A.
Howie
,
Philos. Mag. A
51
,
389
417
(
1985
).
64.
R. K.
Ham
,
Philos. Mag.
6
,
1183
1184
(
1961
).
65.
D. M.
Norfleet
,
D. M.
Dimiduk
,
S. J.
Polasik
,
M. D.
Uchic
, and
M. J.
Mills
,
Acta Mater.
56
,
2988
3001
(
2008
).
66.
K.
Iakoubovskii
,
K.
Mitsuishi
,
Y.
Nakayama
, and
K.
Furuya
,
Microsc. Res. Tech.
71
,
626
631
(
2008
).
67.
A. J.
Craven
,
J.
Bobynko
,
B.
Sala
, and
I.
MacLaren
,
Ultramicroscopy
170
,
113
127
(
2016
).
68.
R.
Geiger
,
J.
Frigerio
,
M. J.
Süess
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
R.
Spolenak
,
J.
Faist
, and
H.
Sigg
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
062106
(
2014
).
69.
J.
Liu
,
J.
Michel
,
W.
Giziewicz
,
D.
Pan
,
K.
Wada
,
D. D.
Cannon
,
S.
Jongthammanurak
,
D. T.
Danielson
,
L. C.
Kimerling
,
J.
Chen
,
F.Ö.
Ilday
,
F. X.
Kärtner
, and
J.
Yasaitis
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
103501
(
2005
).
70.
A.
Garner
,
A.
Gholinia
,
P.
Frankel
,
M.
Gass
,
I.
MacLaren
, and
M.
Preuss
,
Acta Mater.
80
,
159
171
(
2014
).
71.
M.
Reisinger
,
J.
Zalesak
,
R.
Daniel
,
M.
Tomberger
,
J. K.
Weiss
,
A. D.
Darbal
,
M.
Petrenec
,
J.
Zechner
,
I.
Daumiller
,
W.
Ecker
,
B.
Sartory
, and
J.
Keckes
,
Mater. Des.
106
,
476
481
(
2016
).
72.
A.
Ghrib
,
M.
El Kurdi
,
M.
Prost
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
G.
Beaudoin
,
M.
Chaigneau
,
R.
Ossikovski
,
I.
Sagnes
, and
P.
Boucaud
,
Adv. Opt. Mater.
3
,
353
358
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.