Summary
يصف هذا مادة الحالة نموّ من أفلام إبيتاكسيّ من [مغ]3[ن]2 و [زن]3[ن]2 على [مغو] ركائز ب [بلازما-كنّد] شعاع جزيئيّة [إبيإكسي] مع [ن]2 غاز كالنيتروجين مصدر وبصريّة حالة نموّ رصد.
Abstract
يصف هذا مادة إجراء ل ينمو [مغ]3[ن]2 و [زن]3[ن]2 أفلام ب [بلازما-كنّد] شعاع جزيئيّة [إبيإكسي] ([مب]). وتزرع الأفلام على 100 الموجهة MgO ركائز مع الغاز N2 كمصدر النيتروجين. يتم وصف طريقة إعداد الركائز وعملية نمو MBE. يتم رصد التوجه والنظام البلورية للطبقة والأسطح الفيلم من قبل انعكاس انعراج الإلكترون عالية الطاقة (RHEED) قبل وأثناء النمو. يتم قياس انعكاسية الطيفية لسطح العينة أثناء النمو مع ليزر أيون مع الطول الموجي من 488 نانومتر. من خلال تركيب الاعتماد على الوقت من انعكاسية لنموذج رياضي، يتم تحديد مؤشر الانكسار، ومعامل الانقراض البصري، ومعدل نمو الفيلم. يتم قياس التدفقات المعدنية بشكل مستقل كدالة لدرجات حرارة خلية الانصباب باستخدام شاشة كريستال الكوارتز. معدلات النمو النموذجية هي 0.028 نانومتر / ث في درجات حرارة النمو من 150 درجة مئوية و 330 درجة مئوية لملغ3N2 والزنك3N2 الأفلام، على التوالي.
Introduction
الموادII 3-V2 هي فئة من أشباه الموصلات التي تلقت القليل نسبيا من الاهتمام من مجتمع بحوث أشباه الموصلات مقارنة مع أشباه الموصلات III-V و II-VI1. وملغ والزنك نيتريدس، ملغ3N2 والزنك3N2،هي جذابة لتطبيقات المستهلك لأنها تتألف من عناصر وفيرة وغير سامة، مما يجعلها غير مكلفة وسهلة لإعادة تدوير على عكس معظم III-V و II-VI أشباه الموصلات المركبة. أنها تعرض هيكل الكريستال المضادة للبيكسبيت مماثلة لهيكل CaF 2، مع واحدة من شبكة الاتصالات الفدرالية المتشابكة F-sublattices يجري نصف المحتلة2،3،4،5. كلاهما مباشرة الموادالفجوة الفرقة 6، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البصرية7،8،9. الفجوة الفرقة من ملغ3N2 في الطيف المرئي (2.5 eV)10، والفجوة الفرقة من الزنك3N2 في الأشعة تحت الحمراء القريبة (1.25 eV)11. لاستكشاف الخصائص الفيزيائية لهذه المواد وإمكاناتها لتطبيقات الأجهزة الإلكترونية والبصرية، من المهم الحصول على أفلام الكريستال ذات جودة عالية وواحدة. وقد تم تنفيذ معظم الأعمال على هذه المواد حتى الآن على مساحيق أو أفلام متعددة البلورات التي أدلى بها رد الفعل التأتأة12،13،14،15،16، 17.
الشعاع الجزيئي epitaxy (MBE) هو طريقة متطورة ومتعددة الاستخدامات لزراعة أفلام أشباه الموصلات المركبة أحادية الكريستال18 التي لديها القدرة على إنتاج مواد ذات جودة عالية باستخدام بيئة نظيفة ومصادر عنصرية عالية النقاء. وفي الوقت نفسه، يتيح عمل الغالق السريع MBE تغييرات في فيلم على مقياس الطبقة الذرية ويسمح بالتحكم الدقيق في سمك. هذه الورقة تقارير عن نمو ملغ3N2 والزنك3N2 الأفلام الظهارية على ركائز MgO من قبل MBE بمساعدة البلازما، وذلك باستخدام عالية النقاء الزنك وملغ كمصادر بخار وN2 الغاز كمصدر النيتروجين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد الركيزة MgO
ملاحظة: تم استخدام الركائز المربعة أحادية اللون من الكريستال الواحد MgO (1 سم × 1 سم) لـ X3N2 (X = Zn and Mg) لنمو الأفلام الرقيقة.
- ارتفاع درجة الحرارة الصلب
- ضع MgO على حامل عينة رقاقة الياقوت نظيفة مع الجانب المصقول التي تواجه صعودا في فرن والصلب لمدة 9 ساعة في 1000 درجة مئوية. رفع درجة الحرارة إلى 1000 درجة مئوية على مدى فترة 10 دقيقة.
ملاحظة: ارتفاع درجة الحرارة الصلب يزيل الكربون من السطح ويعيد بناء بنية الكريستال السطحية من ركائز الكريستال واحد MgO. - تبريد ركائز MgO إلى درجة حرارة الغرفة (RT).
- ضع MgO على حامل عينة رقاقة الياقوت نظيفة مع الجانب المصقول التي تواجه صعودا في فرن والصلب لمدة 9 ساعة في 1000 درجة مئوية. رفع درجة الحرارة إلى 1000 درجة مئوية على مدى فترة 10 دقيقة.
- تنظيف الركيزة
- جمع ركائز MgO الصلب وشطف في الماء منزوع الأيونات في كوب زجاجي البورسليكات نظيفة.
- تغلي ركائز MgO في 100 مل من الأسيتون في كوب زجاجي البورسليكات 250 مل لمدة 30 دقيقة لإزالة التلوث الكربوني غير العضوي من المناولة.
ملاحظة: تغطية الكأس ولا تسمح الأسيتون ليغلي الجافة. - استنزاف الأسيتون وشطف ركائز MgO في 50 مل من الميثانول.
- تجفيف الركائز مع غاز النيتروجين، ثم تخزين الركائز الجافة والنظيفة في علبة رقاقة نظيفة.
2. تشغيل VG V80 MBE
- فتح مياه التبريد لغرفة التحضير، cryoshroud على غرفة النمو (انظر الشكل1)، خلايا الانصباب، والكوارتز الكريستال الاستشعار microbalance.
- تشغيل الليزر الأيون مع الطول الموجي من 488 نانومتر. يتم جلب ضوء الليزر إلى غرفة MBE مع الألياف البصرية من الليزر، والذي يقع في غرفة أخرى.
- تشغيل انعكاس عالية الطاقة بندقية انعراج الإلكترون (RHEED)، 13.56 ميغاهيرتز الترددات الراديوية (الترددات اللاسلكية) مولد البلازما، والكوارتز الكريستال microbalance (QCM) نظام.
3. الركيزة التحميل
- قفل دخول سريع
- جبل الركيزة مغو نظيفة على حامل عينة الموليبدينوم (الشكل2A)باستخدام مقاطع الربيع التنغستن.
- إيقاف مضخة توربو على قفل دخول سريع (FEL) وتنفيس غرفة FEL مع النيتروجين. فتح FEL عندما يصل ضغط الغرفة إلى الضغط الجوي.
- قم بإزالة كاسيت حامل العينات من FEL واحمّل حامل العينة بالركيزة في الدرج.
- قم بتحميل الكاسيت مرة أخرى إلى FEL وأعد تشغيل المضخة التوربينية مرة أخرى.
- انتظر الضغط في FEL إلى انخفاض إلى 10-6 تور.
- زيادة درجة حرارة قفل الدخول السريع إلى 100 درجة مئوية على مدى فترة 5 دقائق وdegas ركائز مع أصحاب لمدة 30 دقيقة في قفل الدخول السريع.
- تأكد من الضغط في قفل الدخول السريع هو أقل من 10-7 تور قبل فتح صمام فراغ إلى غرفة الإعداد. نقل حامل باستخدام آلية نقل عصا تمايل إلى غرفة الإعداد، ثم تصعيد محطة إزالة الغاز إلى 400 درجة مئوية والسماح لها ديغاز لمدة 5 ساعة.
- نقل حامل منزوع الغاز بواسطة آلية نقل عربة إلى المتلاعب عينة في غرفة النمو. زيادة درجة حرارة الركيزة تصل إلى 750 درجة مئوية على مدى فترة 30 دقيقة والسماح للعينة إلى outgas في المتلاعب لمدة 30 دقيقة أخرى.
- انخفاض درجة حرارة الركيزة إلى 150 درجة مئوية لنمو فيلم Zn3N2 و 330 درجة مئوية لنمو فيلم Mg3N2 باستخدام الحرارية في المتلاعب عينة لقياس درجة حرارة العينة.
- في الموقع
- تعيين الجهد على بندقية الإلكترون إلى 15 كيلو فولت وخيوط الحالية إلى 1.5 A مرة واحدة ضغط غرفة النمو هو أقل من 1 × 10-7 تور.
- تدوير حامل الركيزة حتى 1) يتم محاذاة بندقية الإلكترون على طول محور الكريستال مبدأ الركيزة و 2) واضح نمط انعراج الإلكترون الكريستال واحد مرئي.
- التقاط صورة لنمط RHEED وحفظ الصورة.
- أغلق الغالق على خلية الانصباب وأوقف تدفق النيتروجين. قياس نمط RHEED للفيلم المودعة عندما ضغط الغرفة هو أقل من 10-7 تور.
4. قياسات تدفق المعادن
- استخدام معيار مجموعة III نوع خلايا الانصباب أو خلايا الانصباب درجة حرارة منخفضة لملغ والزنك.
- تحميل بوتقة مع 15 غرام و 25 غرام من النقاء العالي Mg وZn النار، على التوالي.
- عندما حققت غرفة النمو فراغ من 10-8 تور أو أفضل، وقبل تحميل حامل الركيزة، outgas الزنك أو ملغ خلايا انصباب المصدر تصل إلى 250 درجة مئوية بمعدل منحدر ~ 20 درجة مئوية / دقيقة والسماح لها outgas لمدة 1 ساعة مع مصاريع مغلقة.
- بعد أن تم تحميل الركيزة في المتلاعب عينة، وتسخين الزنك و / أو خلايا انصباب ملغ إلى 350 درجة مئوية أو 390 درجة مئوية على التوالي، بمعدل منحدر ~ 10 درجة مئوية / دقيقة، والانتظار 10 دقيقة بالنسبة لهم لتحقيق الاستقرار مع مصاريع مغلقة.
- استخدام شاشة الكريستال الكوارتز قابل للسحب لقياس تدفق المعادن. وضع جهاز استشعار الكريستال الكوارتز أمام الركيزة داخل الغرفة. تأكد من أن الركيزة مغطاة بالكامل من قبل كاشف بحيث لا يتم إيداع أي معدن على الركيزة.
- إدخال كثافة المعدن من الفائدة (الزنك = 7.14 غرام / سم3،وملغ = 1.74 غرام / سم3)في وحدة تحكم رصد الكريستال الكوارتز (QCM).
- لمعايرة التدفق، افتح الغالق لأحد المصادر المعدنية والسماح لخلية الانصباب بالإيداع على جهاز الاستشعار. يقوم نظام QCM بتحويل قياسه الداخلي للكتلة إلى سمك.
- حساب تدفق عنصري من المنحدر من سمك متزايد كدالة الوقت هو مبين على QCM. معدل زيادة سمك على مدى بضع دقائق يتناسب مع تدفق عنصري. وفي حالتين على سبيل المثال، يتم الحصول على تدفق زن قدره 0.45 نانومتر/ث وتدفق ملغ قدره 1.0 نانومتر/ث.
- تغيير درجة حرارة خلايا الانصباب وكرر الخطوة 4.8 إذا كان الاعتماد على درجة الحرارة من تدفق مطلوب. ويبين الشكل 3 الاعتماد على درجة الحرارة المقاسة لتدفق المغّاق والزنك من أجل نظام النمو المحدد هذا.
- عند اكتمال قياسات التدفق، أغلق مصاريع على خلايا الانصباب وسحب جهاز استشعار الكريستال الكوارتز.
5. النيتروجين البلازما
- إيقاف خيوط الحالية والجهد العالي على بندقية RHEED لمنع الضرر في وجود ارتفاع ضغط الغاز N2 في غرفة النمو.
- فتح صمام الغاز على الضغط العالي N2 اسطوانة.
- فتح ببطء صمام تسرب ببطء حتى ضغط النيتروجين في غرفة النمو يصل إلى 3 × 10-5-4 × 10-5 تور.
- تعيين قوة مولد البلازما إلى 300 واط.
- إشعال البلازما مع الإشعال على مصدر البلازما. سوف يكون توهج الأرجواني مشرق مرئية من منفذ العرض عندما تشتعل البلازما، كما هو مبين في الشكل 2B.
- ضبط عنصر التحكم في مربع مطابقة الترددات اللاسلكية لتقليل الطاقة المنعكسة قدر الإمكان. قوة منعكسة من أقل من 15 W هو جيد; في هذه الحالة، يتم تقليل الطاقة المنعكسة إلى 12 وات.
6. في الموقع ضوء الليزر التشتت
- التركيز على المفروم 488 نانومتر الأرجون ضوء الليزر ينعكس من الركيزة في غرفة النمو على صمام ثنائي Si بحيث يمكن الكشف عن إشارة كهربائية من قبل مكبر للصوت قفل في. ويتم ذلك عن طريق ضبط زاوية الركيزة عن طريق تدوير حامل الركيزة حول محورين وضبط موقف كاشف سي، ثم تركيز العدسة التي تجمع الضوء المنعكس كما هو موضح في الشكل4.
- فتح مصراع أحد المصادر المعدنية.
- تسجيل انعكاسية تعتمد على الوقت مع مسجل بيانات يتم التحكم فيه بالكمبيوتر. سوف ينتج عن نمو فيلم إبيتاكسي إشارة منعكسة متذبذبة مع الوقت المرتبط بالتداخل البصري للفيلم الرقيق بين الأسطح الأمامية والخلفية للفيلم.
- لحماية الفيلم من الأكسدة في الهواء، إيداع طبقة تغليف لحماية الفيلم من الأكسدة في الهواء. وهذا مهم بشكل خاص لملغ3N2 الذي يتأكسد بسرعة في الهواء.
- من أجل إيداع طبقة تغليف MgO، أغلق غاز النيتروجين، والتبديل إلى غاز الأكسجين، وكرر الخطوة 5.3، وزيادة ضغط الأكسجين إلى 1 × 10-5 تور.
- تعيين قوة مولد البلازما إلى 250 W وكرر الخطوة 5.5. تبدأ البلازما في انخفاض قوة الترددات اللاسلكية مع غاز الأكسجين من مع غاز النيتروجين.
- افتح الغالق على مصدر Mg، وكرر الخطوة 6.4 لمدة 5-10 دقائق.
ملاحظة: هذا سوف تنتج فيلم MgO الذي هو حوالي 10 نانومتر سميكة. أفلام Mg3N2 غير المتوجة صفراء ولكنها تتلاشى بسرعة إلى لون أبيض في غضون 20 s عند التعرض للهواء. وبالتالي، مطلوب طبقة تغليف لإتاحة الوقت لإجراء قياسات على الأفلام قبل أن تتأكسد بعد إزالتها من غرفة الفراغ. - أغلق صمامات الغاز، وأغلق الليزر، ومنحدر أسفل الركيزة ودرجات حرارة الخلية إلى ~ 25 درجة مئوية في 30 دقيقة.
- بعد عدة أشواط النمو، والنوافذ البصرية تصبح مغطاة بالمعادن. إزالة المعدن عن طريق التفاف النافذة في رقائق الألومنيوم وتسخينه مع شريط التدفئة إلى 400 درجة مئوية ومعدل منحدر درجة الحرارة من ~ 15 درجة مئوية / دقيقة أو أبطأ على مدى عطلة نهاية الأسبوع.
7 - تحديد معدل النمو
- استخدم المعادلة 1 أدناه لوصف انعكاسية بصرية للعينة11،19.
(1)
حيث:
(1-أ)
(1-ب)
(1-ج)
(1-د) - وحيث: ن2 = 1.747 هو مؤشر الانكسار من الركيزة MgO في الطول الموجي من 488 نانومتر; θ0 هي زاوية شعاع الحادث المقاسة فيما يتعلق بسطح الركيزة الطبيعي. وt هو الوقت. يتم الحصول على الثوابت البصرية للفيلم (ن1 وك 1) ومعدل النمو عن طريق تركيب انعكاسية كدالة للوقت في المعادلة 1.
(1)
(1-أ)
(1-ب)
(1-ج)
(1-د)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الكائن الأسود في بداية في الشكل 5B هو صورة ل200 نانومتر 200 نانومتر الزنك3N2 فيلم رقيقة. وبالمثل، فإن الكائن الأصفر في الداخل في الشكل 5C هو نمت 220 نانومتر ملغ3N2 فيلم رقيقة. الفيلم الأصفر شفاف إلى حد أنه من السهل قراءة النص وضعت وراء الفيلم10.
رصدت السطح من الركيزة والأفلام كان في موقعة ب [رجد]. ويبين الشكل 5ألف نمط RHEED لالركيزة العارية مع حادث شعاع الإلكترون على طول اتجاه [110] من الركيزة. أنماط RHEED للأفلام المودعة في الشكل 5B،C تبين أن شعرية الكريستال من الزنك3N2 وMg3N2 يتم توجيه الأفلام رقيقة في مستوى سطح الركيزة ، كما هو متوقع في حالة الطرح النمو. العيب من RHEED لرصد النمو في ظل الظروف المستخدمة هنا هو أنه يجب وقف عملية النمو للسماح للضغط أن ينخفض إلى 10-7 تور وبدوره على بندقية الإلكترون.
وعلى النقيض من RHEED، لا تتأثر قياسات الانعكاسالبصري في الموقع بالضغط في الغرفة. وللحصول على معدل النمو، كانت الانعكاسية البصرية في الموقع ملائمة كدالة للوقت المبينة في الشكل 6 باستخدام المعادلة1. في هذه المعادلة، وقت النمو ر هو متغير مستقل، والثوابت البصرية للفيلم (ن1، ك1) ومعدل النمو هي المعلمات المناسب. في الشكل 6، مؤشر الانكسار الركيزة MgO ، زاوية حدوث ، والطول الموجي هي ن2 = 1.747 ، θ0 = 36.5 درجة ، و = 488 نانومتر ، على التوالي. مؤشر الانكسار المجهزة للفيلم هو ن1 = 2.65، معامل الانقراض هو ك1 = 0.54، ومعدل النمو = 0.031 نانومتر / ث لالزنك3N2 فيلم رقيقة كما هو مبين في الشكل 6A. وبالمثل، فإن أفضل مؤشر الانكسار المناسب لفيلم Mg3N2 هو n1 = 2.4، ومعامل الانقراض هو k1 = 0.09، ومعدل النمو = 0.033 نانومتر/ث كما هو مبين في الشكل 6B. ويعتقد أن الانخفاض العام في انعكاس الطيفية مع الوقت في الشكل 6B أن يكون سببها زيادة في خشونة السطح مبعثرة كما ملغ3N2 فيلم رقيقة يصبح أكثر سمكا. تم محاكاة تأثير تشتت الخشونة عن طريق ضرب انعكاسية محسوبة مع الأسي المتحللة، e-βt، حيث β = 810-5 s-1 ووقت النمو t تقاس في ثوان.
عند التعرض للهواء، تلاشى الأصفر غير المتوج Mg3N2 الأفلام في غضون دقائق إلى لون أبيض شفاف. [أن ث ون هند], ال [مغ]3[ن]2 أفلام أنّ كان توجت مع [مغو] كان نسبيّا ثابتة. لمزيد من الحماية من الأفلام المغطاة Mg3N2 من الأكسدة، كانت مغلفة Mg3N2/MgO heterostructures مع طبقة CaF2 المودعة بواسطة تبخر شعاع الإلكترون. غير متوج الزنك3N2 هو أكثر استقرارا؛ مهما, ال في البداية سوداء [زن]3[ن]2 أفلام أيضا مؤكسدة مع مرور الوقت ويلتفت رماديّة ضمن [ا فو] شهور. ويعتقد أن رد فعل الأكسدة ينطوي على تشكيل هيدروكسيد المغنيسيوم وإطلاق الأمونيا وفقا للتفاعل الكيميائي التالي20. كما يمكن استخدام طبقة ZnO المودعة باستخدام طريقة مشابهة لـ MgO كطبقة واقية لمنع الأكسدة.
Mg3N2 + 6H2O → 3Mg(OH)2 + 2NH3
الشكل 1 عرض من VG V80H شعاع الجزيئية غرفة النمو epitaxy. تُظهر هذه الصورة غرفة نمو MBE مع (في اتجاه عقارب الساعة) شاشة RHEED وغرفة التحكم، ومحلل الغاز المتبقي رباعي الأضلاع، والأجهزة البصرية على منفذ تشتت ضوء الليزر، وخلية التسريب Mg، ومصدر البلازما N، ومربع مطابقة الترددات اللاسلكية، وخلية انصباب الزنكوب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2 : حامل الركيزة وتوهج من مصدر البلازما. (أ) الموليبدينوم لوحة حامل عينة مع اثنين من مقاطع سلك التنغستن عقد الركيزة MgO مربع في مكان. (B) توهج الأرجواني الناشئة من النافذة الخلفية لمصدر البلازما عند العمل مع الغاز N2. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3 تدفق المعادن كدالة لدرجة حرارة خلية الانصباب. الخطوط تناسب الاعتماد على درجة الحرارة من التدفقات المعدنية باستخدام علاقة Arrhenius كما نوقش في النص. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4 مخطط من إعداد تشتت ضوء الليزر في الموقع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5 أنماط RHEED. (أ) نمط الانعراج RHEED لالركيزة MgO. (ب) نمط RHEED من زننمت 3N2 فيلم مع صورة سوداء Zn3N2 فيلم. (C) نمط RHEED من كما نمت مغ3N2 الركيزة مع صورة من الأصفر ملغ3N2 فيلم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6 في الموقع انعكاسية الطيفية. في الموقع انعكاسية الطيفية في 488 نانومتر من (A) الزنك3N2 و (B) ملغ3N2 الأفلام خلال النمو. إن الانعكاسية المحسوبة (الخط الأحمر) هي الأنسب للبيانات التجريبية (الدوائر الزرقاء) كما تمت مناقشتها في النص. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وتشارك مجموعة متنوعة من الاعتبارات في اختيار ركائز وتحديد ظروف النمو التي تحسن الخصائص الهيكلية والإلكترونية للأفلام. يتم تسخين ركائز MgO في درجة حرارة عالية في الهواء (1000 درجة مئوية) لإزالة تلوث الكربون من السطح وتحسين النظام البلورية في سطح الركيزة. التنظيف بالموجات فوق الصوتية في الأسيتون هو طريقة بديلة جيدة لتنظيف ركائز MgO.
تم العثور على ذروة الانعراج بالأشعة السينية (400) لأفلام Zn3N2 لتكون أضيق عندما تم زراعة الفيلم على درجة حرارة عالية، ركائز MgO الصلبة بالمقارنة مع عندما نمت على ركائز unannealed. ثابت شعرية من MgO (0.421 نانومتر) هو أصغر بكثير من (نصف) ثابت شعرية من الزنك3N2 (0.976 نانومتر) أو ملغ3N2 (0.995 نانومتر) وليس جيدا المتطابقة لأفلام أشباه الموصلات. الثوابت شعرية من المجموعات المتاحة تجاريا الرابع، الثالث الخامس، وركائز II-VI كلها أكبر من الثوابت شعرية من ملغ3N2 والزنك3N2. ومن المستصوب وجود الركيزة الأكثر تطابقاً. السيليكون, الذي يحتوي على ثابت شعرية من 0.543 نانومتر, هو إلى حد ما أكثر مطابقة جيدا إلى ملغ3N2 من MgO ويستحق أن يتم استكشافها. كما تم زراعة الزنك3N2 الأفلام على ركائز الياقوت A-الطائرة. لم تكن الجودة الهيكلية لهذه الأفلام جيدة كما هو موضح في ركائز MgO، كما هو مبين في بقع RHEED وعرض (400) Zn3N2 قمة الانعراج بالأشعة السينية. في حالة ركائز الياقوت، كان المغلفة المؤخر مع Cr (50 نانومتر) ومو (200 نانومتر) لتحسين اقتران الحرارية بين حامل الركيزة والركيزة.
يتم قياس درجة حرارة الركيزة أثناء النمو مع الحرارية الموجودة في الفضاء فراغ المغلقة بين حامل الركيزة وسخان، وأنها ليست في اتصال مادي مع حامل الركيزة أو الركيزة. ونتيجة لذلك، كان من المتوقع أن تكون درجة حرارة الركيزة الفعلية أقل من درجة حرارة جهاز الاستشعار. تم الحصول على نجاح Mg3N2 وZn3N2 النمو مع درجات الحرارة الحرارية في نطاقات 300-350 درجة مئوية و 140-180 درجة مئوية، على التوالي.
ارتفاع درجة حرارة النمو يزيد من حركة ذرات الإعلان على السطح المتزايد، ويمكن أن يتوقع أن تنتج المواد مع عيوب هيكلية أقل. ومع ذلك، في درجات حرارة الركيزة العالية، ومعدل النمو أقل، والذي يفسر على أنه يرجع إلى إعادة تبخر الذرات المعدنية من السطح. في تدفق المعادن عالية، ويقتصر معدل نمو الفيلم من قبل العرض من النيتروجين النشط. يتم تكبير النيتروجين النشط في قوة الترددات اللاسلكية العالية المطبقة على مصدر البلازما (300 W كحد أقصى) وبمعدل تدفق النيتروجين عالية. ويقتصر معدل تدفق N2 من قبل الضغط الأقصى في غرفة النمو، والتي كانت في هذه الحالة في منتصف 10-5 نطاق تور. الأمونيا هي مصدر النيتروجين البديل المحتمل. سوف Mg وZn تتفاعل مع NH3 في درجة حرارة عالية دون تنشيط البلازما. ومع ذلك، فمن غير الواضح ما إذا كان وقت الإقامة من ذرات ملغ والزنك على السطح سوف تكون طويلة بما فيه الكفاية لدعم نمو الفيلم في درجات الحرارة التي NH3 سوف تتفاعل مع المعادن.
في هذه التجارب، تم استخدام خلايا الانصباب مع بوتقة نيتريد البورون الحراري (PBN) بسعة 40 سم مكعب لملغ و 25 سم مكعب لالزنك. يظهر الشكل 3 الاعتماد على درجة الحرارة من التدفقات Mg وZn من خلايا الانصباب. الخطوط المستقيمة في الشكل 3 تتناسب مع الاعتماد على درجة الحرارة المقاسة للتدفقات. النوبات يتلقّى الشكل دفق = [إإكسب]([-ب/كت]), والمعلمات تركيب ([ا], [ب]) (8.5 [إكس]1017 [نم/س], 2.3 [إف]) و (1.3 [إكس] 1015 [نم/س], 1.9 [إف]) ل ال [مغ] و [زن] مصادر, على التّوالي. ويتضاعف التدفق تقريبا مع كل 10 درجة مئوية و 12 درجة مئوية زيادة في درجة حرارة خلية الانصباب لملغ والزنك، على التوالي. للنمو الموضح في الشكل 6، كانت التدفقات المعدنية بالقرب من الحد الأقصى في الشكل 3 (~ 1 نانومتر / ث مع تدفق ملغ أعلى من تدفق الزنك) ولكن معدلات نمو الفيلم كانت فقط 0.03 نانومتر / ث. وهذا يدل على أن كفاءة استخدام المعادن منخفضة، مع ملغ يجري أقل من الزنك ومعظم المعادن إعادة التبخر.
يمنع الإرتفاع [ن]2 خلفيّة ضغطة أثناء حالة نموّ المراقبة مستمرّة من الفيلم حالة نموّ مع [رهد]. الضخ التفاضلي لبندقية RHEED يمكن أن يحل هذه المشكلة. تعمل قياسات الانعكاسية البصرية في الموقع كأداة رصد تكميلية لا تتأثر بضغط الغاز وتوفر تقنية دقيقة وموثوقبها لتحديد معدل النمو. ويمكن أيضا قياس انعكاسية الركيزة غير الطيفية أو المنتشرة في الموقع، وسوف توفر معلومات عن خشونة السطح أثناء النمو.
الضغط الأساسي في غرفة النمو MBE هو 10-8 تور مع الغاز N2 إيقاف. يتم تبريد كفيك التبريد في غرفة النمو بالماء أثناء نمو الفيلم. في ظل هذه الظروف، يمكن توقع بعض التلوث الأكسجين المتبقية في الأفلام. يمكن تقليل ضغط بخار الماء المتبقي في غرفة النمو مع سائل تبريد أقل درجة الحرارة في الكفن، مثل زيت السيليكون عند -80 درجة مئوية21.
في الختام، يصف هذا البروتوكول كيفية زراعة أفلام الكريستال واحدة من ملغ3N2 وZn3N2 بواسطة البلازما بمساعدة شعاع الجزيئية epitaxy ويقدم اقتراحات لكيفية تغيير عملية النمو لزيادة تحسين الفيلم نوعيه. ولم تظهر هذه المواد الإنارة الضوئية في أي من درجة حرارة الغرفة أو في درجة حرارة منخفضة. هناك حاجة إلى مزيد من الحد من كثافة العيوب في الأفلام. Mg3N2-Zn3N2 سبائك يمكن أيضا أن تزرع عن طريق البلازما بمساعدة شعاع الجزيئية epitaxy.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
وقد دعم هذا العمل مجلس البحوث الطبيعية والهندسية في كندا.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (100) MgO | University Wafer | 214018 | one side epi-polished |
| Acetone | Fisher Chemical | 170239 | 99.8% |
| Argon laser | Lexel Laser | 00-137-124 | 488 nm visible wavelength, 350 mW output power |
| Chopper | Stanford Research system | SR540 | Max. Frequency: 3.7 kHz |
| Lock-in amplifier | Stanford Research system | 37909 | DSP SR810, Max. Frequency: 100 kHz |
| Magnesium | UMC | MG6P5 | 99.9999% |
| MBE system | VG Semicon | V80H0016-2 SHT 1 | V80H-10 |
| Methanol | Alfa Aesar | L30U027 | Semi-grade 99.9% |
| Nitrogen | Praxair | 402219501 | 99.998% |
| Oxygen | Linde Gas | 200-14-00067 | > 99.9999% |
| Plasma source | SVT Associates | SVTA-RF-4.5PBN | PBN, 0.11" Aperture, Specify Length: 12" – 20" |
| Si photodiode | Newport | 2718 | 818-UV Enhanced, 200 - 1100 nm |
| Zinc | Alfa Aesar | 7440-66-6 | 99.9999% |
References
- Suda, T., Kakishita, K. Band-gap energy and electron effective mass of polycrystalline Zn3N2. Journal of Applied Physics. 99 (7), 076101.1-076101.3 (2006).
- Hu, J., Bando, Y., Zhan, J., Zhi, C., Golberg, D. Carbon nanotubes as nanoreactors for fabrication of single-crystalline Mg3N2 nanowires. Nano Letters. 6 (6), 1136-1140 (2006).
- Fang, C. M., Groot, R. A., Bruls, R. J., Hintzen, H. T., With, G. Ab initio band structure calculations of Mg3N2 and MgSiN2. Journal of Physics: Condensed Matter. 11 (25), 4833-4842 (1999).
- Yoo, S. H., Walsh, A., Scanlonc, D. O., Soon, A. Electronic structure and band alignment of zinc nitride, Zn3N2. RSC Advances. 4 (7), 3306-3311 (2014).
- Partin, D. E., Williams, D. J., O'Keeffe, M. The crystal structures of Mg3N2 and Zn3N2. Journal of Solid-State Chemistry. 132 (1), 56-59 (1997).
- Ullah, M., Murtaza, G., Ramay, S. M., Mahmood, A. Structural, electronic, optical and thermoelectric properties of Mg3X2 (X = N, P, As, Sb, Bi) compounds. Materials Research Bulletin. 91, 22-30 (2017).
- Li, C. T. Electrocatalytic zinc composites as the efficient counter electrodes of dye-sensitized solar cells: study on the electrochemical performance and density functional theory Calculations. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (51), 28254-28263 (2015).
- Sinha, S., Choudhury, D., Rajaraman, G., Sarkar, S. Atomic layer deposition of Zn3N2 thin films: growth mechanism and application in thin film transistor. RSC Advances. 5 (29), 22712-22717 (2015).
- Bhattacharyya, S. R., Ayouchi, R., Pinnisch, M., Schwarz, R. Transfer characteristic of zinc nitride based thin film transistors. Physica Status Solidi C. 9 (3-4), 469-472 (2012).
- Wu, P., Tiedje, T. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films. Applied Physics Letters. 113 (8), 082101.1-082101.4 (2018).
- Wu, P., et al. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of single crystal Zn3N2 films. Semiconductor Science and Technology. 31 (10), 10LT01.1-10LT01.4 (2016).
- Jiang, N., Georgiev, D. G., Jayatissa, A. H. The effects of the pressure and the oxygen content of the sputtering gas on the structure and the properties of zinc oxy-nitride thin films deposited by reactive sputtering of zinc. Semiconductor Science and Technology. 28 (2), 025009 (2013).
- Nakano, Y., Morikawa, T., Ohwaki, T., Taga, Y. Electrical characterization of p-type N-doped ZnO films prepared by thermal oxidation of sputtered Zn3N2 films. Applied Physics Letters. 88 (17), 172103.1-172103.3 (2006).
- Cao, X., Yamaguchi, Y., Ninomiya, Y., Yamada, N. Comparative study of electron transport mechanisms in epitaxial and polycrystalline zinc nitride films. Journal of Applied Physics. 119 (2), 025104.1-025104.10 (2016).
- Jia, J., Kamijo, H., Nakamura, S., Shigesato, Y. How the sputtering process influence structural, optical, and electrical properties of Zn3N2 films. MRS Communications. 8 (2), 314-321 (2018).
- Trapalis, A., Hefferman, J., Farrer, I., Sherman, J., Kean, A. Structural, electrical and optical characterization of as-grown and oxidized zinc nitride films. Journal of Applied Physics. 120 (20), 205102.1-205102.9 (2016).
- Núñez, C. G., et al. On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen. Thin Solid Films. 520 (6), 1924-1929 (2012).
- Oshima, T., Fujita, S. (111)-oriented Zn3N2 growth on a-plane sapphire substrates by molecular beam epitaxy. Japanese Journal of Applied Physics. 45 (111), 8653-8655 (2006).
- Heavens, O. S. Optical properties of thin solid films. , Butterworth, London. 46-48 (1955).
- Heyns, A. H., Prinsloo, L. C., Range, K. J., Stassen, M. The vibrational spectra and decomposition of α-calcium nitride (α-Ca3N2) and magnesium nitride (Mg3N2). Journal of Solid-State Chemistry. 137, 33-41 (1998).
- Lewis, R. B., Bahrami-Yekta, V., Patel, M. J., Tiedje, T., Masnadi-Shirazi, M. Closed-cycle cooling of cryopanels in molecular beam epitaxy. Journal of Vacuum Science Technology B. 32 (2), 02C102.1-02C102.7 (2014).
