Name: Mg3N2和 Zn3N2薄膜的等离子辅助分子束外延生长 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 5 s
Description: 学习使用等离子辅助分子束外延技术在MgO衬底上生长Mg₃N₂和Zn₃N₂外延薄膜的方法。该工艺采用光学监测技术实时追踪薄膜生长过程，为研究II-V族化合物半导体材料提供重要参考。

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本工作由加拿大自然科学与工程研究理事会资助。

1. MgO 衬底制备
注意：采用商用单面外延抛光（100）取向的单晶 MgO 方形衬底（1 cm × 1 cm）用于 X3N2 （X = Zn 和 Mg）薄膜的生长。
<ol>
	<li>高温退火
	<ol>
		<li>将 MgO 放置在洁净的蓝宝石晶片样品托架上，抛光面朝上，放入炉中，在 1,000 °C 下退火 9 小时。在 10 分钟内将温度升至 1000 °C。 
		注意：高温退火可去除表面的碳，并重建 MgO 单晶基片的表面晶体结构。</li>
		<li>将 MgO 基片冷却至室温（RT）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>基片清洗
	<ol>
		<li>收集退火后的 MgO 基片，在洁净的硼硅酸盐玻璃烧杯中用去离子水冲洗。</li>
		<li>在 250 mL 硼硅酸盐玻璃烧杯中，将 MgO 基片在 100 mL 丙酮中煮沸 30 分钟，以去除操作过程中引入的无机碳污染。 
		注意：需盖住烧杯，且不得让丙酮完全蒸干。</li>
		<li>倒掉丙酮，并用 50 mL 甲醇冲洗 MgO 基片。</li>
		<li>用氮气吹干基片，然后将干燥、洁净的基片存放在洁净的芯片托盘中。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. VG V80 分子束外延设备的操作
<ol>
	<li>打开制备室的冷却水、生长室的低温挡板（见图1）、蒸发源和石英晶体微天平传感器的冷却水。</li>
	<li>开启波长为488 nm的氩离子激光器。激光器位于另一个房间，通过光纤将激光引入分子束外延腔室。</li>
	<li>开启反射高能电子衍射枪（RHEED）、13.56 MHz射频（rf）等离子体源和石英晶体微天平（QCM）系统。</li>
</ol>
3. 底物加样
<ol>
	<li>快速进样锁
	<ol>
		<li>使用钨制弹簧夹将洁净的 MgO 衬底固定在钼制样品托上（图 2A）。</li>
		<li>关闭快速进样锁（FEL）的涡轮泵，并用氮气对 FEL 腔室进行放气。当腔室压力达到大气压时，打开 FEL。</li>
		<li>将样品托架盒从 FEL 中取出，并将装有衬底的样品托装入盒中。</li>
		<li>将盒重新装入 FEL，并重新启动涡轮泵。</li>
		<li>等待 FEL 内压力降至 10-6 Torr。</li>
		<li>在 5 分钟内将快速进样锁的温度升至 100 °C，并在快速进样锁中对带样品托的衬底进行 30 分钟的脱气处理。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在打开通向预处理室的真空阀之前，确保快速进样锁内的压力低于 10-7 Torr。使用摆动杆传输机构将样品托转移至预处理室，随后将脱气台温度升至 400 °C，并持续脱气 5 小时。</li>
	<li>通过推车传输机构将脱气后的样品托转移至生长室的样品操纵器上。在 30 分钟内将衬底温度升至 750 °C，并在操纵器中继续放气 30 分钟。确保低温罩的冷却水已开启，以避免低温罩过热。</li>
	<li>使用样品操纵器中的热电偶测量样品温度，将衬底温度降至 150 °C 以进行 Zn3N2 薄膜生长，或降至 330 °C 以进行 Mg3N2 薄膜生长。</li>
	<li>原位 RHEED
	<ol>
		<li>当生长室压力低于 1 × 10-7 Torr 时，将电子枪的电压设为 15 kV，灯丝电流设为 1.5 A。</li>
		<li>旋转样品托，直到满足以下两个条件：1）电子枪与衬底的主晶轴对齐；2）观察到清晰的单晶电子衍射图样。</li>
		<li>拍摄 RHEED 图样照片并保存。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>关闭束源炉的快门并停止氮气流动。当腔室压力低于 10-7 Torr 时，测量所沉积薄膜的 RHEED 图样。</li>
</ol>
4. 金属通量测量
<ol>
	<li>使用标准的III族型束流外延单元或低温束流外延单元分别用于Mg和Zn。</li>
	<li>将高纯度的Mg和Zn金属颗粒分别装入坩埚中，质量分别为15 g和25 g。</li>
	<li>当生长室达到10-8 Torr或更高的真空度后，在装入样品支架之前，以约20 °C/min的升温速率将Zn或Mg源的束流外延单元加热至最高250 °C，并在快门关闭的情况下继续除气1小时。</li>
	<li>在将样品装入样品操纵器后，以约10 °C/min的升温速率将Zn和/或Mg束流外延单元分别加热至350 °C或390 °C，并在快门关闭的情况下等待10分钟使其温度稳定。</li>
	<li>使用可伸缩的石英晶体监测器测量金属通量。将石英晶体传感器置于腔室内的样品前方位置，确保样品被探测器完全遮挡，以避免金属沉积在样品表面。</li>
	<li>将目标金属的密度（ρZn = 7.14 g/cm3，ρMg = 1.74 g/cm3）输入至石英晶体监测器（QCM）控制器中。</li>
	<li>为校准通量，打开其中一个金属源的快门，使束流外延单元在传感器上沉积。QCM系统会将其内部的质量测量值转换为厚度值。</li>
	<li>根据QCM显示的厚度随时间增加曲线的斜率计算元素通量。厚度在数分钟内的增长速率与元素通量成正比。在两个示例情况下，测得Zn通量为0.45 nm/s，Mg通量为1.0 nm/s。</li>
	<li>若需获得通量的温度依赖性，可调节束流外延单元的温度并重复步骤4.8。本特定生长系统中测得的Mg和Zn通量的温度依赖性如图3所示。</li>
	<li>完成通量测量后，关闭束流外延单元的快门，并将石英晶体传感器收回。</li>
</ol>
5. 氮等离子体
<ol>
	<li>关闭RHEED枪的灯丝电流和高压，以防止在高氮环境下造成损坏2 生长室中的气体压力。</li>
	<li>打开高压 N₂ 气瓶的阀门2 圆柱体</li>
	<li>缓慢打开漏气阀，直至生长室内的氮气压力达到 3 x 10-5-4 × 10-5 Torr.</li>
	<li>将等离子体发生器的功率设置为 300 W。</li>
	<li>使用等离子体源上的点火器点燃等离子体。当等离子体被点燃时，通过观察窗可看到明亮的紫色辉光，如图所示 图2B.</li>
	<li>调节射频匹配箱上的控制旋钮，尽可能降低反射功率。反射功率低于15 W为佳；本例中，反射功率已降至12 W。</li>
</ol>
6. 原位激光光散射
<ol>
	<li>调节生长室中基底反射的488 nm氩离子激光光，将其聚焦到Si光电二极管上，以便锁相放大器能够检测到电信号。通过绕两个轴旋转基底支架以调整基底角度，并调节Si探测器的位置，然后调整收集反射光的透镜进行聚焦，如图4所示。</li>
	<li>打开其中一个金属源的快门。</li>
	<li>使用计算机控制的数据记录仪记录时间依赖的反射率。外延薄膜的生长将导致反射信号随时间呈现振荡，这是由于薄膜前后表面之间的光学干涉所致。</li>
	<li>为防止薄膜在空气中氧化，需沉积一层封装层以保护薄膜。这一点对于在空气中迅速氧化的Mg3N2尤为重要。</li>
	<li>为了沉积MgO封装层，关闭氮气，切换为氧气，重复步骤5.3，并将氧气压力提高至1 × 10-5 Torr。</li>
	<li>将等离子体发生器的功率设为250 W，并重复步骤5.5。使用氧气时，等离子体在较低射频功率下即可起辉，低于使用氮气时所需功率。</li>
	<li>打开Mg源的快门，并重复步骤6.4，持续5–10分钟。 
	注意：这将生成约10 nm厚的MgO薄膜。未封装的Mg3N2薄膜呈黄色，但在暴露于空气后20秒内迅速褪为浅白色。因此，必须使用封装层，以便在薄膜从真空室取出后氧化前有足够时间进行测量。</li>
	<li>关闭气体阀门，关闭激光器，并在30分钟内将基底和源炉温度降至约25 °C。关闭等离子体源的冷却水和射频功率。</li>
	<li>经过多次生长实验后，光学窗口会覆盖上金属沉积物。可通过将窗口用铝箔包裹，并使用加热带在周末期间以约15 °C/min或更慢的升温速率加热至400 °C，从而去除金属沉积物。</li>
</ol>
7. 生长速率测定
<ol>
	<li>使用下方的公式 1描述样品的光学反射率11,19。 
	<img alt="反射率公式，R = RR*，光学干涉，傅里叶分析，物理推导公式。" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq1.jpg" style="opacity: 0.9;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 1"> (1) 
	其中： 
	<img alt="反射系数公式 r₁= (1-n₁)/(1+n₁)；光学界面概念；公式图像。" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq2.jpg" style="opacity: 0.9;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 2"> (1 - a) 
	<img alt="静态平衡，菲涅耳方程 r₂=(n₁-n₂)/(n₁+n₂)，光学反射示意图。" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq4.jpg" style="opacity: 0.9;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 4"> (1 - b) 
	<img alt="光学物理方程；δ₁(t) 公式，波传播分析，折射研究示意图。" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq5.jpg" style="opacity: 0.9;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 5"> (1 - c) 
	<img alt="静态平衡方程 α(t) 公式；g 表示重力常数；光学概念。" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq6.jpg" style="opacity: 0.9;" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 6"> (1 - d)</li>
	<li>其中：n2 = 1.747 是 MgO 衬底在 488 nm 波长下的折射率；θ0 是相对于衬底表面法线测量的入射光束角度；t 为时间。通过将公式 1 中反射率随时间的变化进行拟合，可获得薄膜的光学常数（n1 和 k1）以及生长速率。</li>
</ol>

<ol><li>Suda, T., Kakishita, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Band-gap+energy+and+electron+effective+mass+of+polycrystalline+Zn3N2%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Band-gap energy and electron effective mass of polycrystalline Zn3N2.</a> Journal of Applied Physics. 99 (7), 076101.1-076101.3 (2006).</li>
<li>Hu, J., Bando, Y., Zhan, J., Zhi, C., Golberg, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotubes+as+nanoreactors+for+fabrication+of+single-crystalline+Mg3N2+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotubes as nanoreactors for fabrication of single-crystalline Mg3N2 nanowires.</a> Nano Letters. 6 (6), 1136-1140 (2006).</li>
<li>Fang, C. M., Groot, R. A., Bruls, R. J., Hintzen, H. T., With, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ab+initio+band+structure+calculations+of+Mg3N2+and+MgSiN2%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics%3A+Condensed+Matter%22%5BJournal%5D)">Ab initio band structure calculations of Mg3N2 and MgSiN2.</a> Journal of Physics: Condensed Matter. 11 (25), 4833-4842 (1999).</li>
<li>Yoo, S. H., Walsh, A., Scanlonc, D. O., Soon, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+structure+and+band+alignment+of+zinc+nitride%2C+Zn3N2%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Electronic structure and band alignment of zinc nitride, Zn3N2.</a> RSC Advances. 4 (7), 3306-3311 (2014).</li>
<li>Partin, D. E., Williams, D. J., O'Keeffe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+crystal+structures+of+Mg3N2+and+Zn3N2%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Solid-State+Chemistry%22%5BJournal%5D)">The crystal structures of Mg3N2 and Zn3N2.</a> Journal of Solid-State Chemistry. 132 (1), 56-59 (1997).</li>
<li>Ullah, M., Murtaza, G., Ramay, S. M., Mahmood, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural%2C+electronic%2C+optical+and+thermoelectric+properties+of+Mg3X2+%28X+%3D+N%2C+P%2C+As%2C+Sb%2C+Bi%29+compounds%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Research+Bulletin%22%5BJournal%5D)">Structural, electronic, optical and thermoelectric properties of Mg3X2 (X = N, P, As, Sb, Bi) compounds.</a> Materials Research Bulletin. 91, 22-30 (2017).</li>
<li>Li, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrocatalytic+zinc+composites+as+the+efficient+counter+electrodes+of+dye-sensitized+solar+cells%3A+study+on+the+electrochemical+performance+and+density+functional+theory+Calculations%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Electrocatalytic zinc composites as the efficient counter electrodes of dye-sensitized solar cells: study on the electrochemical performance and density functional theory Calculations.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (51), 28254-28263 (2015).</li>
<li>Sinha, S., Choudhury, D., Rajaraman, G., Sarkar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+layer+deposition+of+Zn3N2+thin+films%3A+growth+mechanism+and+application+in+thin+film+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Atomic layer deposition of Zn3N2 thin films: growth mechanism and application in thin film transistor.</a> RSC Advances. 5 (29), 22712-22717 (2015).</li>
<li>Bhattacharyya, S. R., Ayouchi, R., Pinnisch, M., Schwarz, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+characteristic+of+zinc+nitride+based+thin+film+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+Status+Solidi+C%22%5BJournal%5D)">Transfer characteristic of zinc nitride based thin film transistors.</a> Physica Status Solidi C. 9 (3-4), 469-472 (2012).</li>
<li>Wu, P., Tiedje, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+beam+epitaxy+growth+and+optical+properties+of+Mg3N2+films%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films.</a> Applied Physics Letters. 113 (8), 082101.1-082101.4 (2018).</li>
<li>Wu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+beam+epitaxy+growth+and+optical+properties+of+single+crystal+Zn3N2+films%5BTitle%5D)+AND+%22Semiconductor+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Molecular beam epitaxy growth and optical properties of single crystal Zn3N2 films.</a> Semiconductor Science and Technology. 31 (10), 10LT01.1-10LT01.4 (2016).</li>
<li>Jiang, N., Georgiev, D. G., Jayatissa, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22Semiconductor+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">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.</a> Semiconductor Science and Technology. 28 (2), 025009(2013).</li>
<li>Nakano, Y., Morikawa, T., Ohwaki, T., Taga, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+characterization+of+p-type+N-doped+ZnO+films+prepared+by+thermal+oxidation+of+sputtered+Zn3N2+films%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Electrical characterization of p-type N-doped ZnO films prepared by thermal oxidation of sputtered Zn3N2 films.</a> Applied Physics Letters. 88 (17), 172103.1-172103.3 (2006).</li>
<li>Cao, X., Yamaguchi, Y., Ninomiya, Y., Yamada, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+study+of+electron+transport+mechanisms+in+epitaxial+and+polycrystalline+zinc+nitride+films%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Comparative study of electron transport mechanisms in epitaxial and polycrystalline zinc nitride films.</a> Journal of Applied Physics. 119 (2), 025104.1-025104.10 (2016).</li>
<li>Jia, J., Kamijo, H., Nakamura, S., Shigesato, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+the+sputtering+process+influence+structural%2C+optical%2C+and+electrical+properties+of+Zn3N2+films%5BTitle%5D)+AND+%22MRS+Communications%22%5BJournal%5D)">How the sputtering process influence structural, optical, and electrical properties of Zn3N2 films.</a> MRS Communications. 8 (2), 314-321 (2018).</li>
<li>Trapalis, A., Hefferman, J., Farrer, I., Sherman, J., Kean, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural%2C+electrical+and+optical+characterization+of+as-grown+and+oxidized+zinc+nitride+films%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Structural, electrical and optical characterization of as-grown and oxidized zinc nitride films.</a> Journal of Applied Physics. 120 (20), 205102.1-205102.9 (2016).</li>
<li>Núñez, C. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+zinc+nitride+properties+and+the+unintentional+incorporation+of+oxygen%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen.</a> Thin Solid Films. 520 (6), 1924-1929 (2012).</li>
<li>Oshima, T., Fujita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%28111%29-oriented+Zn3N2+growth+on+a-plane+sapphire+substrates+by+molecular+beam+epitaxy%5BTitle%5D)+AND+%22Japanese+Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">(111)-oriented Zn3N2 growth on a-plane sapphire substrates by molecular beam epitaxy.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 45 (111), 8653-8655 (2006).</li>
<li>Heavens, O. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHeavens%2C+OS+%22Optical+properties+of+thin+solid+films%22">Optical properties of thin solid films</a>. , Butterworth, London. 46-48 (1955).</li>
<li>Heyns, A. H., Prinsloo, L. C., Range, K. J., Stassen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+vibrational+spectra+and+decomposition+of+%CE%B1-calcium+nitride+%28%CE%B1-Ca3N2%29+and+magnesium+nitride+%28Mg3N2%29%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Solid-State+Chemistry%22%5BJournal%5D)">The vibrational spectra and decomposition of α-calcium nitride (α-Ca3N2) and magnesium nitride (Mg3N2).</a> Journal of Solid-State Chemistry. 137, 33-41 (1998).</li>
<li>Lewis, R. B., Bahrami-Yekta, V., Patel, M. J., Tiedje, T., Masnadi-Shirazi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Closed-cycle+cooling+of+cryopanels+in+molecular+beam+epitaxy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Closed-cycle cooling of cryopanels in molecular beam epitaxy.</a> Journal of Vacuum Science Technology B. 32 (2), 02C102.1-02C102.7 (2014).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在选择衬底并建立优化薄膜结构和电子特性的生长条件时，需要考虑多种因素。可在空气（1000 °C）中将 MgO 衬底高温加热，以去除表面的碳污染并改善衬底表面的晶体有序性。使用丙酮进行超声清洗是清洁 MgO 衬底的一种良好替代方法。
与在未退火的衬底上生长的薄膜相比，在高温退火的MgO衬底上生长的Zn3N2薄膜的(400) X射线衍射峰更窄。MgO的晶格常数（0.421 nm）明显小于Zn3N2（0.976 nm）或Mg3N2（0.995 nm）晶格常数的一半，与半导体薄膜的晶格匹配性较差。 commercially available的IV族、III-V族和II-VI族衬底的晶格常数均大于Mg3N2和Zn3N2的晶格常数。因此，更匹配的衬底是可取的。硅的晶格常数为0.543 nm，相较于MgO与Mg3N2的匹配性更好，值得...

II3-V2材料是一类半导体，与III-V族和II-VI族半导体相比，半导体研究领域对其关注相对较少1。氮化镁（Mg3N2）和氮化锌（Zn3N2）因其由丰富且无毒的元素组成，在消费类应用中具有吸引力，这使得它们成本低廉且易于回收，而大多数III-V族和II-VI族化合物半导体则不具备这些优势。它们呈现出类似于CaF2结构的反方铁锰矿晶体结构，其中一个相互穿插的面心立方F亚晶格占据一半位置2,3,4,5。这两种材料均为直接带隙半导体6，适用于光学应用7,8,9。Mg3N2的带隙位于可见光范围（2.5 eV）10，而Zn3N2的带隙位于近红外区域（1.25 eV）11。为了探索这些材料的物理性质及其在电子和光电器件应用中的潜力，获得高质量的单晶薄膜至关重要。迄今为止，针对这些材料的大多数研究工作都是在通过反应溅射法制备的粉末或多晶薄膜上进行的12,13,14,15,16,17。
分子束外延（MBE）是一种成熟且多功能的技术，可用于生长单晶化合物半导体薄膜18，在洁净环境和高纯度元素源条件下有望获得高质量材料。同时，MBE的快门快速切换能力可实现原子层尺度的薄膜调控，并实现精确的厚度控制。本文报道了采用等离子体辅助MBE在MgO衬底上生长Mg3N2和Zn3N2外延薄膜，以高纯Zn和Mg作为蒸镀源，N2气体作为氮源。

<table><tbody><tr><td>(100) MgO</td><td>University Wafer</td><td>214018</td><td>单面外延抛光</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Fisher Chemical&amp;nbsp;</td><td>170239</td><td>99.8%</td></tr><tr><td>氩离子激光器</td><td>Lexel Laser</td><td>00-137-124</td><td>可见光波长 488 nm，输出功率 350 mW</td></tr><tr><td>斩波器&amp;nbsp;</td><td>Stanford Research system&amp;nbsp;</td><td>SR540</td><td>&amp;nbsp;最高频率：3.7 kHz&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>锁相放大器&amp;nbsp;</td><td>Stanford Research system&amp;nbsp;</td><td>37909</td><td>DSP SR810，最高频率：100 kHz&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>镁&amp;nbsp;</td><td>UMC</td><td>MG6P5</td><td>99.9999%</td></tr><tr><td>分子束外延系统</td><td>VG Semicon</td><td>V80H0016-2 SHT 1</td><td>V80H-10</td></tr><tr><td>甲醇&amp;nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td>L30U027</td><td>半纯级，99.9%</td></tr><tr><td>氮气</td><td>Praxair</td><td>402219501</td><td>99.998%</td></tr><tr><td>氧气&amp;nbsp;</td><td>Linde Gas</td><td>200-14-00067</td><td>&gt; 99.9999%</td></tr><tr><td>等离子体源</td><td>SVT Associates</td><td>SVTA-RF-4.5PBN</td><td>PBN，孔径 0.11&quot;，指定长度：12&quot; &amp;ndash; 20&quot;</td></tr><tr><td>硅光电二极管&amp;nbsp;</td><td>Newport</td><td>2718</td><td>818-紫外增强型，200 - 1100 nm</td></tr><tr><td>锌&amp;nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td>7440-66-6</td><td>99.9999%</td></tr></tbody></table>

等离子体辅助分子束外延生长 mg3n2 和 zn3n2 薄膜

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

本文介绍了一种通过等离子体辅助分子束外延（MBE）生长 Mg3N2 和 Zn3N2 薄膜的方法。薄膜在取向为100的 MgO 衬底上生长，氮气（N2）作为氮源。文中描述了衬底的制备方法及 MBE 外延生长过程。在生长前后及生长过程中，利用反射高能电子衍射（RHEED）监测衬底和薄膜表面的取向与晶体有序性。生长过程中使用波长为 488 nm 的氩离子激光器测量样品表面的镜面反射率。通过将反射率随时间的变化拟合到数学模型，可确定薄膜的折射率、光学消光系数以及生长速率。金属束流通过石英晶体监控器独立测量，并作为蒸发炉温度的函数进行标定。Mg3N2 和 Zn3N2 薄膜在生长温度分别为 150 °C 和 330 °C 时的典型生长速率均为 0.028 nm/s。

图5B插图中的黑色物体是生长态200 nm Zn3N2薄膜的照片。同样，图5C插图中的黄色物体是生长态220 nm Mg3N2薄膜的照片。该黄色薄膜具有一定的透明性，足以清晰阅读置于其后的文字10。
对基底表面和薄膜进行了监测 原位 通过RHEED。 图5A 显示沿衬底[110]方向入射电子束时裸露衬底的反射高能电子衍射（RHEED）图样。所沉积薄膜的RHEED图样如 图5B,C 表明 Zn 的晶体晶格3N<s...

本文描述了Mg外延薄膜的生长3N2 和 Zn3N2 在MgO衬底上通过等离子体辅助分子束外延与N2 以气体作为氮源并进行光学生长监测。

等离子体辅助分子束外延生长 Mg3N2 和 Zn3N2 薄膜

本文介绍了一种通过等离子体辅助分子束外延（MBE）生长Mg3N2和Zn3N2薄膜的实验方法。薄膜在取向为100的……上生长。

在本视频中，我们展示了如何通过等离子体辅助分子束外延（简称 MBE）生长亚硝酸镁和亚硝酸锌的外延薄膜。亚硝酸镁和亚硝酸锌属于 II-V 族化合物半导体材料，这是一类相对尚未充分研究的半导体材料。它们具有反萤石型晶体结构，常规立方晶胞中含有80个原子。薄膜在VG V80分子束外延系统中生长。左侧的水平腔室为预处理腔室，右侧的圆形腔室为生长腔室，薄膜生长在此进行。位于制备室左端的样品进样锁。我们发现生长外延氮化镁和氮化锌的最佳衬底是取向为100的单晶氧化镁。将1厘米见方的衬底首先放置在蓝宝石晶片样品载具上，抛光面朝上，并在1,000摄氏度下退火9小时。高温退火可去除表面的碳，并重建单晶氧化镁衬底的表面晶体结构。退火后，将样品用去离子水冲洗，然后在丙酮中煮沸30分钟以去除操作过程中可能引入的有机碳污染，接着用甲醇再次冲洗，并用氮气吹干。分子束外延（MBE）生长的第一步是打开用于融合单元和生长室中低温挡板的冷却水。然后开启生长监测激光器、反射高能电子衍射（RHEED）电源、射频等离子体发生器电源以及石英晶体微天平系统。将氧化镁衬底用钨制弹簧夹固定在直径为三英寸的钼样品托上。将样品装入分子束外延设备的第一步是关闭涡轮泵，并对快速进样锁进行放气。从快速进样锁中取出样品托盒，将新的样品装入盒中，然后将样品托盒重新放回快速进样锁内。涡轮泵用于抽空快速进样锁。因此，我们通常在快速进样锁中于100°C下对衬底进行30分钟的脱气处理，然后将其转移至预处理室，在400°C下继续脱气5小时。通过推车机构将去气样品台转移至生长室，并将其装入样品操纵器中。在操纵器中将样品于750摄氏度下脱气30分钟。确保低温屏蔽罩的冷却水已打开，以避免过热。在生长亚硝酸镁时，将衬底温度降至330摄氏度。此时生长室压力应低于10⁻⁸托。反射高能电子衍射枪（简称RHEED）的电压缓慢升至15千伏，灯丝加热电流设定为1.5安培。旋转样品台，直至电子衍射图样显示出与衬底的主要晶体学轴对齐，并且可以观察到清晰的单晶电子衍射图样。镁和锌采用标准的III族元素扩散炉或低温扩散炉。坩埚中分别装入15克和25克高纯度的镁粒和锌粒。将锌和镁的源融合室在快门关闭的情况下于250摄氏度下除气一小时。通常在将衬底装入操纵器之前完成此步骤。衬底装入后，将锌融合室加热至350摄氏度，镁融合室加热至390摄氏度。融合室在工作温度下稳定10分钟后，再打开快门。将可伸缩的石英晶体监控器放置在腔室内部衬底的前方。确保衬底完全被探测器覆盖，以防止金属沉积在衬底上。将金属的密度输入石英晶体监控器控制器，以便控制器能够读取沉积在石英晶体传感器上的金属厚度。为了校准通量，我们打开其中一个金属源的快门，使来自一个输注炉的金属通量沉积在传感器上。随着金属在传感器上逐渐沉积，控制器测得的厚度将随时间线性增加。通过将厚度对时间进行直线拟合，即可获得金属通量的精确测量值。完成通量测量后，关闭注入单元的快门，并将石英晶体监控探测器从样品支架前方移开。该图显示了利用石英晶体监控器测得的金属源通量随温度变化的关系。直线部分已拟合至阿伦尼乌斯关系。当源温度每升高12度时，通量大约增加一倍。关闭灯丝电流和RHEED枪的高压，以防止在生长室中存在高氮气压力的情况下损坏灯丝。下一步是启动氮等离子体源。打开高压气瓶的气体阀门，然后缓慢打开泄漏阀，直至生长室内的氮气压力达到3至4乘以10的负5次方托（Torr）。随后将13.56 MHz射频电源的功率设为300瓦。通过等离子体源上的点火器启动等离子体。当等离子体启动后，从等离子体源后部的观察窗可见明亮的紫色辉光。调节射频匹配箱上的控制旋钮，尽可能降低反射功率。反射功率低于15瓦为佳。将生长室中基底反射的488纳米波长氩离子激光光聚焦到硅光电二极管上，以便锁相放大器能够检测到电信号。通过绕两个轴旋转基底支架来调节基底的角度，同时调节收集反射光的硅探测器和聚焦透镜的位置（如图所示），即可实现聚焦。使用激光线滤光片阻挡除氩离子激光488纳米波长以外的所有光线。使用锁相放大器测量光电二极管的输出信号，该信号与衬底表面的反射率成正比。打开其中一个金属源的快门。通过计算机控制的数据记录仪记录时间依赖的反射率。外延薄膜的生长会产生振荡性的反射信号，这是由于薄膜前后表面之间的光学干涉所致。当氮化镁薄膜刚从分子束外延设备中取出时呈黄色，但会迅速褪变为浅白色。为了防止薄膜氧化和接触空气，建议在将薄膜取出生长室之前，先在其表面沉积一层氧化镁封装层，以保护薄膜在暴露于空气时免受氧化。这对于硝酸镁尤为重要，而对于硝酸锌则不那么关键。为了沉积氧化镁封装层，需关闭氮气并切换为氧气，将氧气压力提高至10⁻⁵托。在生长封装层期间，我们将射频功率降低至250瓦。与氮气相比，氧气等离子体在较低的射频功率下开始激发。一旦氧气等离子体稳定运行，打开镁源的快门，并监测10分钟内随时间变化的反射率。这将生成一层约10纳米厚的氧化镁薄膜。样品的光学反射率可用此方程建模。n2 是氧化镁衬底在 488 纳米处的折射率，其值为 1.75。Theta naught 是相对于衬底法线测量的入射角。其中 t 是生长过程中的时间。通过将反射率随时间的变化与该方程进行拟合，可得到薄膜的光学常数 n1 和 k1 以及生长速率。黄色方块为氧化镁封装的亚硝酸镁薄膜示例，黑色方块为亚硝酸锌薄膜。硝酸镁呈黄色，因为其带隙位于可见光范围内，而硝酸锌呈黑色，因为其带隙位于红外区域。左侧图片为沿110方向入射的电子束照射在纯净氧化镁衬底上所获得的反射高能电子衍射（RHEED）图样。中间图片为硝酸锌薄膜的衍射图样，右侧图片为硝酸镁薄膜的衍射图样。这些结果表明，所沉积薄膜的晶体结构在基底平面内具有取向性，这与我们对外延薄膜的预期一致。该图显示了在样品操纵器中旋转裸露的氧化镁基底时，电子衍射图样的变化情况。该曲线图显示了在硝酸锌和硝酸镁薄膜生长过程中，光学反射率随时间的变化。通过将反射率随时间的变化拟合到光学模型，可以提取薄膜的折射率 n、消光系数 k 以及生长速率 g。对于亚硝酸镁薄膜，由于表面粗糙度散射，反射率随时间下降，我们通过阻尼指数函数对该效应进行了数学建模。在本视频中，我们向您展示了如何通过等离子体辅助分子束外延法生长外延的镁和锌亚硝酸盐薄膜。我们的研究结果之一是，在样品生长过程中测量其光学反射率，是确定薄膜生长速率和光学常数的有效方法。然而，我们的材料无论在室温还是低温下均未显示出光致发光现象，因此需要进一步提高薄膜质量。我们实验室对粉末样品进行的实验为实现这一目标提供了线索。通过锌与氨在高温下反应制备的硝酸锌粉末确实表现出强烈的光致发光。这表明，使用氨代替氮气作为氮源，可能是制备具有更优电子性能材料的一种途径。

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Mg3N2和 Zn3N2薄膜的等离子辅助分子束外延生长

本文概述了多种用于制备原子级定义模板的方法，以用于复杂氧化物薄膜的外延生长。通过对单晶 SrTiO3 (001) 和 DyScO3 (110) 衬底进行化学处理，获得原子级平整且单一终止的表面。采用 Ca2 Nb3 O10-...

原子级定义模板用于复杂氧化物薄膜的外延生长

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通过真空热蒸发法实现无种子铋纳米线阵列的生长

本研究详细阐述了通过原子层沉积法在锗衬底上直接生长和表征结晶态 SrTiO3...

通过原子层沉积在锗上外延生长钙钛矿型钛酸锶

采用分子束外延法生长氮极性InAlN势垒高电子迁移率晶体管（HEMT）。通过控制晶圆制备、外延层生长条件及结构设计，可获得表面平整、组分均匀的InAlN层，所制备的HEMT电子迁移率高达1,750...

等离子体辅助分子束外延生长N极性InAlN势垒高电子迁移率晶体管

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金属/LaAlO3/SrTiO3 异质结构的生长及其静电/化学性质

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采用等离子体辅助分子束外延法生长的Zn极性BeMgZnO/ZnO异质结构上肖特基二极管的制备

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可调谐真空紫外（VUV）同步辐射分子束质谱法

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利用薄膜扩散法测定环境钚的形态分布与生物可利用性

学习使用等离子辅助分子束外延技术在MgO衬底上生长Mg₃N₂和Zn₃N₂外延薄膜的方法。该工艺采用光学监测技术实时追踪薄膜生长过程，为研究II-V族化合物半导体材料提供重要参考。

等离子体辅助分子束外延生长 Mg₃N₂ 和 Zn₃N₂ 薄膜

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