Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en Zn3n2 dunne films

7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/59415

⸱

11 mei 2019

 , 
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of Victoria

In dit artikel

Samenvatting

Dit artikel beschrijft de groei van epitaxiale films van mg3n2 en Zn3n2 op MgO substraten door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy met N2 gas als de stikstofbron en optische groei monitoring.

Samenvatting

Dit artikel beschrijft een procedure voor het kweken van mg3n2 en Zn3n2 films door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy (MBE). De films worden geteeld op 100 georiënteerde MgO substraten met N2 gas als stikstofbron. De methode voor de voorbereiding van de substraten en het groeiproces van de MBE worden beschreven. De oriëntatie en de kristallijne volgorde van het substraat en het film oppervlak worden gecontroleerd door de reflectie hoge energie elektron diffractie (RHEED) voor en tijdens de groei. De spiegelende reflectiviteit van het monster oppervlak wordt gemeten tijdens de groei met een AR-Ion laser met een golflengte van 488 nm. Door de tijdafhankelijkheid van de reflectiviteit aan een wiskundig model te monteren, worden de brekingsindex, de extinctiecoëfficiënt en de groeisnelheid van de film bepaald. De metalen fluxen worden onafhankelijk gemeten als functie van de effusieceltemperaturen met behulp van een kwartskristal monitor. Typische groeisnelheden zijn 0,028 nm/s bij een groei temperatuur van 150 °C en 330 °C voor respectievelijk mg3n2 en Zn3n2 films.

Inleiding

De II3-v2 materialen zijn een klasse van halfgeleiders die relatief weinig aandacht hebben gekregen van de Semiconductor Research Community in vergelijking met III-v en II-VI halfgeleiders1. De mg en Zn nitrides, mg3n2 en Zn3n2, zijn aantrekkelijk voor consumententoepassingen omdat ze zijn samengesteld uit overvloedige en niet-toxische elementen, waardoor ze goedkoop en gemakkelijk te recyclen zijn, in tegenstelling tot de meeste III-V en II-VI samengestelde halfgeleiders. Ze vertonen een anti-bixbyite kristalstructuur vergelijkbaar met de CaF2 structuur, met een van de interpenetrerende FCC F-sublattices wordt half bezet2,3,4,5. Ze zijn beide direct band gap materialen6, waardoor ze geschikt zijn voor optische toepassingen7,8,9. De band gap van mg3n2 bevindt zich in het zichtbare spectrum (2,5 EV)10, en de band gap van Zn3n2 bevindt zich in de nabije-infrarood (1,25 EV)11. Om de fysische eigenschappen van deze materialen en hun potentieel voor elektronische en optische apparaattoepassingen te verkennen, is het van cruciaal belang om hoge kwaliteit, enkele kristallen films te verkrijgen. Het meeste werk aan deze materialen is tot nu toe uitgevoerd op poeders of polykristallijne films gemaakt door reactieve sputteren12,13,14,15,16, 17.

Moleculaire straal epitaxy (MBE) is een goed ontwikkelde en veelzijdige methode voor het kweken van single-Crystal samengestelde halfgeleider films18 die het potentieel heeft om hoogwaardige materialen te leveren met behulp van een schone omgeving en hoogwaardige elementaire bronnen. Ondertussen maakt MBE Rapid Shutter-actie wijzigingen in een film op de schaal van atomaire lagen mogelijk en zorgt voor nauwkeurige dikte regeling. Dit papier rapporteert over de groei van mg3n2 en Zn3n2 epitaxiale films op MgO SUBSTRATEN door plasma-geassisteerde MBE, met behulp van hoge zuiverheid Zn en mg als damp bronnen en N2 gas als de stikstofbron.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. MgO substraat voorbereiding

Opmerking: commerciële one-side epi-gepolijst (100) georiënteerde single Crystal MgO vierkante substraten (1 cm x 1 cm) werden gebruikt voor de X3N2 (x = Zn en mg) dunne film groei.

  1. Hoge temperatuur gloeien
    1. Plaats de MgO op een schone saffier wafer monster drager met de gepolijste zijde naar boven in een oven en anneal voor 9 uur bij 1.000 °C. Verhoog de temperatuur tot 1000 °C gedurende een periode van 10 minuten.
      Opmerking: bij hoge temperatuur gloeien wordt koolstof uit het oppervlak verwijderd en wordt de oppervlakte kristalstructuur van de MgO-enkelvoudige kristallen substraten geherstructureer.
    2. Koel de MgO-substraten af op de kamertemperatuur (RT).
  2. Substraat reiniging
    1. Verzamel de gegloeide MgO-substraten en spoel ze af in gedeïoniseerd water in een schoon bekerglas van borosilicaat.
    2. Kook de MgO-substraten gedurende 30 minuten in 100 mL aceton in een bekerglas van 250 mL borosilicaat om anorganische koolstof verontreiniging te verwijderen.
      Opmerking: bedek het bekerglas en laat de aceton niet droog koken.
    3. Giet de aceton af en spoel de MgO-substraten af in 50 mL methanol.
    4. Blaas de ondergronden op met stikstofgas en bewaar de droge, schone ondergronden in de schone spaanplaat.

2. werking van VG V80 MBE

  1. Open het koelwater voor de bereidings kamer, cryoshroud op de groei kamer (Zie Figuur 1), effusie cellen en kwartskristal microbalans sensor.
  2. Schakel de AR-Ion laser in met een golflengte van 488 nm. Het laserlicht wordt naar de MBE kamer gebracht met een optische vezel van de laser, die zich in een andere ruimte bevindt.
  3. Schakel de reflectie High Energy Electron diffractie Gun (RHEED), 13,56 MHz Radio Frequency (RF) plasma generator, en Quartz Crystal micro Balance (QCM)-systeem.

3. ondergrond laden

  1. Snelle toegangs vergrendeling
    1. Monteer een clean MgO-substraat op de molybdeen-monsterhouder (Figuur 2a) met behulp van Tungsten Spring clips.
    2. Zet de Turbo pomp uit op de Fast Entry Lock (FEL) en ventilatie de FEL kamer met stikstof. Open de FEL wanneer de druk van de kamer de atmosferische druk bereikt.
    3. Verwijder de cassette houder uit de FEL en laad de monsterhouder met het substraat in de cassette.
    4. Plaats de cassette terug in de FEL en draai de Turbo pomp weer aan.
    5. Wacht tot de druk in de FEL daalt tot 10-6 Torr.
    6. Verhoog de temperatuur van het sneltoegangs slot tot 100 °C gedurende een periode van 5 min en Degas de substraten met de houders gedurende 30 minuten in het snelle toegangs slot.
  2. Zorg ervoor dat de druk in de snelle toegangs vergrendeling lager is dan 10-7 Torr voordat u de vacuümklep in de bereidings kamer opent. Breng de houder met behulp van de wiebelen stick Transfer mechanisme naar de bereidings kamer, vervolgens de oprit van het ontgassings station tot 400 ° c en laat het Degas voor 5 h.
  3. Breng de ontgast houder door de trolley Transfer mechanisme naar de monster manipulator in de groei kamer. Verhoog de substraat temperatuur tot 750 °C over een periode van 30 min en laat het monster in de manipulator nog eens 30 minuten outga's. Zorg ervoor dat het koelwater is ingeschakeld in de cryoshroud om oververhitting van de cryoshroud te voorkomen.
  4. Laat de temperatuur van het substraat dalen tot 150 °C voor Zn3n2 film groei en 330 °c voor mg3n2 film groei met behulp van het thermokoppel in de monster manipulator om de monstertemperatuur te meten.
  5. In-situ RHEED
    1. Stel de spanning op het elektronen pistool in op 15 kV en filament stroom tot 1,5 A zodra de druk van de groei kamer lager is dan 1 x 10-7 Torr.
    2. Draai de substraat houder tot 1) het elektronen pistool wordt uitgelijnd langs een principe kristallografische as van de ondergrond en 2) een helder enkelvoudig kristal elektronen diffractie patroon is zichtbaar.
    3. Maak een foto van het reed patroon en sla de foto op.
  6. Sluit de sluiter op de effusie-cel en stop de stroom van stikstof. Meet het RHEED patroon voor de gestorte film wanneer de kamer druklager is dan 10-7 Torr.

4. metaal flux metingen

  1. Gebruik standaardgroep III-type effusie cellen of lage temperatuur effusie cellen voor mg en Zn.
  2. Laad de kroezen met respectievelijk 15 g en 25 g hoge zuiverheid mg en Zn schot.
  3. Wanneer de groei kamer een vacuüm van 10-8 Torr of beter heeft bereikt, en voor het laden van de substraat houder, Uitgassen de Zn of mg bron effusie cellen tot 250 ° c bij een helling van ~ 20 °c/min en laat het te Uitgassen voor 1 h met de luiken gesloten.
  4. Nadat het substraat in de monster manipulator is geladen, Verwarm de Zn en/of mg effusie cellen respectievelijk tot 350 °C of 390 °C, bij een helling van ~ 10 °C/min, en wacht 10 min om te stabiliseren met de gesloten luiken.
  5. Gebruik de intrekbare Quartz Crystal monitor om de metalen flux te meten. Plaats de kwartskristal sensor voor het substraat in de kamer. Zorg ervoor dat de ondergrond volledig bedekt is door de detector zodat er geen metaal op de ondergrond wordt afgezet.
  6. Voer de dichtheid van het metaal van belang in (pZn = 7,14 g/cm3, p = 1,74 g/cm3) in de controller van de Quartz Crystal monitor (QCM).
  7. Om de flux te kalibreren, open je de sluiter voor een van de metaal bronnen en laat je de effusie-cel op de sensor storten. Het QCM-systeem converteert de interne meting van massa naar dikte.
  8. Bereken de elementaire flux van de helling van de stijgende dikte als een functie van de tijd die wordt weergegeven op de QCM. De snelheid van de verhoging van de dikte over een paar minuten is evenredig met de elementale flux. In twee voorbeeld gevallen wordt een Zn-flux van 0,45 nm/s en een mg-flux van 1,0 nm/s verkregen.
  9. Verander de temperatuur van de effusie cellen en herhaal stap 4,8 als de temperatuurafhankelijkheid van de flux vereist is. De gemeten temperatuurafhankelijkheid van de mg-en Zn-flux wordt weergegeven in Figuur 3 voor dit specifieke groei systeem.
  10. Wanneer de flux metingen voltooid zijn, sluit de luiken op de effusie cellen en trek de kwartskristal sensor terug.

5. stikstof plasma

  1. Schakel de filament stroom en hoogspanning op het RHEED pistool uit om schade te voorkomen in de aanwezigheid van een hoge N2 gasdruk in de groei kamer.
  2. Open de gasklep op de hoge druk N2 cilinder.
  3. Open langzaam de lekklep totdat de stikstof druk in de groei kamer 3 x 10-5-4 x 10-5 Torr bereikt.
  4. Stel het vermogen van de plasma generator in op 300 W.
  5. Ontsteek het plasma met de ontsteker op de plasmabron. Een helder paarse gloed zal zichtbaar zijn vanaf de viewport wanneer het plasma ontsteekt, zoals weergegeven in Figuur 2b.
  6. Pas het besturingselement op de RF-overeenkomende doos aan om het gereflecteerde vermogen zoveel mogelijk te minimaliseren. Een gereflecteerde kracht van minder dan 15 W is goed; in dit geval wordt het gereflecteerde vermogen teruggebracht tot 12 W.

6. in situ laserlichtverstrooiing

  1. Concentreer het fijngehakte 488 nm argon laserlicht van het substraat in de groei kamer op de si-fotodiode, zodat een elektrisch signaal kan worden gedetecteerd door de lock-in versterker. Dit wordt bereikt door de hoek van het substraat aan te passen door de substraat houder rond twee assen te draaien en de positie van de si-detector aan te passen, en vervolgens de lens te focussen die het gereflecteerde licht verzamelt zoals weergegeven in Figuur 4.
  2. Open de sluiter van een van de metaal bronnen.
  3. Noteer de tijdafhankelijke reflectiviteit met een computergestuurde datalogger. De groei van een epitaxiale film zal een oscillerend reflecterend signaal produceren met tijd in verband met dunne film optische interferentie tussen de voor-en achtervlakken van de film.
  4. Om de film te beschermen tegen oxidatie in de lucht, stort een inkapings laag om de film te beschermen tegen oxidatie in de lucht. Dit is vooral belangrijk voor mg3N2 die snel oxiderende in de lucht.
  5. Om een MgO inkapseling Layer te storten, sluit u het stikstof gas, schakelt u over naar zuurstofgas, herhaalt u stap 5,3 en verhoogt u de zuurstofdruk tot 1 x 10-5 Torr.
  6. Stel het vermogen van de plasma generator in op 250 W en herhaal stap 5,5. Het plasma begint bij lagere RF-kracht met zuurstof gas dan met stikstofgas.
  7. Open de sluiter op de mg-bron en herhaal stap 6,4 voor 5-10 min.
    Let op: dit zal een MgO film produceren die ongeveer 10 nm dik is. De niet afgetopte mg3N2 films zijn geel maar vervagen snel tot een witachtige kleur binnen 20 s bij blootstelling aan lucht. Daarom is een inkapings laag vereist om tijd te geven voor metingen op de films voordat ze oxideren na verwijdering uit de vacuümkamer.
  8. Sluit de gaskleppen, zet de laser uit en draai de ondergrond en de celtemperaturen naar beneden tot ongeveer 25 °C in 30 min. Schakel het koelwater en het RF-vermogen uit naar de plasmabron.
  9. Na een aantal groei runs worden de optische Vensters bedekt met metaal. Verwijder het metaal door het venster in aluminiumfolie te wikkelen en het te verwarmen met verwarmings tape tot 400 °C en een temperatuur helling van ~ 15 °C/min of langzamer in de loop van een weekend.

7. bepaling van de groeisnelheid

  1. Gebruik vergelijking 1 hieronder om de optische reflectiviteit van het monster te beschrijven11,19.
    figure-protocol-11
    Waar:
    figure-protocol-2(1-a)
    figure-protocol-3(1-b)
    figure-protocol-4(1-c)
    figure-protocol-5(1-d)
  2. En waar: n2 = 1,747 is de brekingsindex van het MgO-substraat bij een golflengte van 488 nm; θ0 is de hoek van de incident straal gemeten met betrekking tot het substraat oppervlak normaal; en t is tijd. De optische constanten van de film (n1 en k1) en de groeisnelheid worden verkregen door de reflectiviteit als functie van de tijd in vergelijking 1 te monteren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Het zwarte voorwerp in de inzet in Figuur 5b is een foto van een as-grown 200 nm Zn3N2 dunne film. Evenzo is het gele object in de inzet in Fig. 5c een as-grown 220 nm mg3N2 dunne film. De gele film is transparant voor zover het gemakkelijk te lezen tekst achter de film10geplaatst is.

Het oppervlak van ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Een verscheidenheid aan overwegingen is betrokken bij de keuze van substraten en het vaststellen van de groeiomstandigheden die de structurele en elektronische eigenschappen van de films optimaliseren. De MgO-substraten worden verhit bij hoge temperatuur in de lucht (1000 °C) om koolstof verontreiniging van het oppervlak te verwijderen en de kristallijne volgorde in het substraat oppervlak te verbeteren. Ultrasone reiniging in aceton is een goede alternatieve methode om de MgO-substraten te reinigen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door de natuurwetenschappen en ingenieurs Onderzoekraad van Canada.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
(100) MgOUniversity Wafer214018one side epi-polished
AcetoneFisher Chemical 17023999.8%
Argon laserLexel Laser00-137-124488 nm zichtbare golflengte, 350 mW uitgangsvermogen
Chopper Stanford Research system SR540 Max. Frequentie: 3,7 kHz 
Lock-in versterker Stanford Research system 37909DSP SR810, Max. Frequentie: 100 kHz 
Magnesium UMCMG6P599.9999%
MBE-systeemVG SemiconV80H0016-2 SHT 1V80H-10
Methanol Alfa AesarL30U027Semi-grade 99,9%
StikstofPraxair40221950199.998%
Zuurstof Linde Gas200-14-00067> 99.9999%
PlasmabronSVT AssociatesSVTA-RF-4.5PBNPBN, 0,11" Opening, Specificeer Lengte: 12" – 20"
Si fotodiode Newport2718818-UV Verbeterd, 200 - 1100 nm
Zink Alfa Aesar7440-66-699.9999%

Referenties

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Wu, P., Tiedje, T. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films. Applied Physics Letters. 113 (8), 082101.1-082101.4 (2018).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Núñez, C. G., et al. On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen. Thin Solid Films. 520 (6), 1924-1929 (2012).
  18. 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).
  19. Heavens, O. S. Optical properties of thin solid films. , Butterworth, London. 46-48 (1955).
  20. 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).
  21. 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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Plasma ondersteunde MBEMg3N2 dunne filmsreflectie hoogenergetische elektrondiffractiekwartskristalmonitorsubstraatvoorbereidingoptische reflectiviteitsmetingepitaxiale filmgroeistikstofplasmacellubruis
Plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en Zn3n2 dunne films
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.