Name: Plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en Zn3n2 dunne films (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 5 s
Description: Leer plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy voor het groeien van Mg₃N₂ en Zn₃N₂ dunne films op MgO-substraten. Deze methode maakt optische monitoring van de groei mogelijk voor halfgeleideronderzoek.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

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.
<ol><li>Hoge temperatuur gloeien<ol>
<li>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.</li>
		<li>Koel de MgO-substraten af op de kamertemperatuur (RT).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Substraat reiniging<ol>
<li>Verzamel de gegloeide MgO-substraten en spoel ze af in gedeïoniseerd water in een schoon bekerglas van borosilicaat.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Giet de aceton af en spoel de MgO-substraten af in 50 mL methanol.</li>
		<li>Blaas de ondergronden op met stikstofgas en bewaar de droge, schone ondergronden in de schone spaanplaat.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. werking van VG V80 MBE
<ol><li>Open het koelwater voor de bereidings kamer, cryoshroud op de groei kamer (Zie Figuur 1), effusie cellen en kwartskristal microbalans sensor.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Schakel de reflectie High Energy Electron diffractie Gun (RHEED), 13,56 MHz Radio Frequency (RF) plasma generator, en Quartz Crystal micro Balance (QCM)-systeem.</li>
</ol>3. ondergrond laden
<ol><li>Snelle toegangs vergrendeling<ol>
<li>Monteer een clean MgO-substraat op de molybdeen-monsterhouder (Figuur 2a) met behulp van Tungsten Spring clips.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Verwijder de cassette houder uit de FEL en laad de monsterhouder met het substraat in de cassette.</li>
		<li>Plaats de cassette terug in de FEL en draai de Turbo pomp weer aan.</li>
		<li>Wacht tot de druk in de FEL daalt tot 10-6 Torr.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>In-situ RHEED<ol>
<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Maak een foto van het reed patroon en sla de foto op.</li>
	</ol>
</li>
	<li>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.</li>
</ol>4. metaal flux metingen
<ol><li>Gebruik standaardgroep III-type effusie cellen of lage temperatuur effusie cellen voor mg en Zn.</li>
	<li>Laad de kroezen met respectievelijk 15 g en 25 g hoge zuiverheid mg en Zn schot.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wanneer de flux metingen voltooid zijn, sluit de luiken op de effusie cellen en trek de kwartskristal sensor terug.</li>
</ol>5. stikstof plasma
<ol><li>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.</li>
	<li>Open de gasklep op de hoge druk N2 cilinder.</li>
	<li>Open langzaam de lekklep totdat de stikstof druk in de groei kamer 3 x 10-5-4 x 10-5 Torr bereikt.</li>
	<li>Stel het vermogen van de plasma generator in op 300 W.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>6. in situ laserlichtverstrooiing
<ol><li>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.</li>
	<li>Open de sluiter van een van de metaal bronnen.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>7. bepaling van de groeisnelheid
<ol><li>Gebruik vergelijking 1 hieronder om de optische reflectiviteit van het monster te beschrijven11,19. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq1.jpg" style="opacity: 0.9;">1 Waar: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq2.jpg" style="opacity: 0.9;">(1-a) <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq4.jpg" style="opacity: 0.9;">(1-b) <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq5.jpg" style="opacity: 0.9;">(1-c) <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59415/59415eq6.jpg" style="opacity: 0.9;">(1-d)</li>
	<li>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.</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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

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.
<p class="jove_c...

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.

<table><tbody><tr><td>(100) MgO</td><td>University Wafer</td><td>214018</td><td>one side epi-polished</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Chemical&nbsp;</td><td>170239</td><td>99.8%</td></tr><tr><td>Argon laser</td><td>Lexel Laser</td><td>00-137-124</td><td>488 nm zichtbare golflengte, 350 mW uitgangsvermogen</td></tr><tr><td>Chopper&nbsp;</td><td>Stanford Research system&nbsp;</td><td>SR540</td><td>&nbsp;Max. Frequentie: 3,7 kHz&nbsp;</td></tr><tr><td>Lock-in versterker&nbsp;</td><td>Stanford Research system&nbsp;</td><td>37909</td><td>DSP SR810, Max. Frequentie: 100 kHz&nbsp;</td></tr><tr><td>Magnesium&nbsp;</td><td>UMC</td><td>MG6P5</td><td>99.9999%</td></tr><tr><td>MBE-systeem</td><td>VG Semicon</td><td>V80H0016-2 SHT 1</td><td>V80H-10</td></tr><tr><td>Methanol&nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td>L30U027</td><td>Semi-grade 99,9%</td></tr><tr><td>Stikstof</td><td>Praxair</td><td>402219501</td><td>99.998%</td></tr><tr><td>Zuurstof&nbsp;</td><td>Linde Gas</td><td>200-14-00067</td><td>> 99.9999%</td></tr><tr><td>Plasmabron</td><td>SVT Associates</td><td>SVTA-RF-4.5PBN</td><td>PBN, 0,11" Opening, Specificeer Lengte: 12" &ndash; 20"</td></tr><tr><td>Si fotodiode&nbsp;</td><td>Newport</td><td>2718</td><td>818-UV Verbeterd, 200 - 1100 nm</td></tr><tr><td>Zink&nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td>7440-66-6</td><td>99.9999%</td></tr></tbody></table>

plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en zn3n2 dunne films

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

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.

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 ...

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.

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

This article describes a procedure for growing Mg3N2 and Zn3N2 films by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The films are grown on 100 oriented ...

In deze video laten we zien hoe epitaxiale films van magnesiumnitriet en zinknitriet groeien door plasma-ondersteunde moleculaire bundel epitaxy, of MBE voor kort. Magnesium nitriet en zinknitriet zijn II-V samengestelde halfgeleidermaterialen. Dit is een relatief onontgonnen klasse van halfgeleiders.Ze hebben de anti-bixbyite kristalstructuur, die 80 atomen in de conventionele kubus unit cel heeft. De films worden geteeld in een VG V80 MBE systeem. De horizontale kamer aan de linkerkant is de voorbereidingskamer en de ronde kamer aan de rechterkant is de groeikamer waar de filmgroei plaatsvindt.Het monsteringsslot, gelegen aan de linkerkant van de bereidingskamer. Het beste substraat dat we hebben gevonden voor de teelt van epitaxiale magnesium nitriet en zink nitriet is 100-georiënteerde single crystal magnesiumoxide. De een centimeter vierkante substraten worden eerst geplaatst op een saffier wafer monster drager met gepolijste kant omhoog en geannealed voor negen uur op 1, 000 graden C.Hoge temperatuur annealing verwijdert de koolstof uit het oppervlak en reconstrueert het oppervlak kristal structuur van het magnesiumoxide enkele kristallen substraten.Na het gloeien worden de monsters gespoeld in gedeïioneerd water, 30 minuten in aceton gekookt om eventuele organische koolstofverontreiniging van de behandeling te verwijderen, dan worden ze opnieuw gespoeld in methanol en droog geblazen met stikstof. De eerste stap in de MBE-groei is het inschakelen van het koelwater voor de fusiecellen en de cryo-shroud in de groeikamer. Dan schakelen we de groei monitoring laser, de RHEED voeding, de RF plasma generator voeding, en het kwarts kristal micro balans systeem.Magnesiumoxide substraten zijn gemonteerd op drie-inch diameter molybdeen monster houders met wolfraam veer clips. De eerste stap in het laden van de monsters in de MBE is het uitschakelen van de turbopomp en het ventileren van het snelle instapslot. De monsterhoudercassette wordt uit het snelle invoerslot verwijderd en een nieuw monster in de cassette geladen en de cassette wordt teruggezet naar het snelle instapslot.De turbopomp wordt gebruikt om het snelle instapslot te evacueren. Dus we meestal ontgas het substraat in de snelle ingang slot op 100 graden, Celsius graad, gedurende 30 minuten. En dan, breng het naar de voorbereiding kamer voor de-vergassing op 400 Celsius graad voor vijf uur.De degasmonsterhouder wordt door een trolleymechanisme overgebracht naar de groeikamer waar deze in de monstermanipulator wordt geladen. Het monster wordt 30 minuten lang vergast in de manipulator bij 750 graden C. Zorg ervoor dat het koelwater in de cryowade wordt ingeschakeld om oververhitting te voorkomen.In het geval van magnesiumnitrietgroei wordt de temperatuur van het substraat naar beneden getild tot 330 graden. De druk van de groeikamer moet nu onder de 10 tot de min acht Torr. De spanning op de reflectie hoge energie elektron diffractie pistool, of RHEED voor kort, wordt langzaam verhoogd tot 15 kilovolt en de filament kachel stroom is ingesteld op anderhalve ampère.De substraathouder wordt gedraaid totdat het elektronendiffractiepatroon uitlijning toont met de principe kristalgrafische as van het substraat en een duidelijk enkelkristalnlektroniffractiepatroon zichtbaar is. Standaard groep drie type diffusiecellen of lage temperatuur diffusiecellen worden gebruikt voor magnesium en zink. De smeltkroesen werden geladen met respectievelijk 15 gram en 25 gram magnesium- en zinkprik met een hoge zuiverheid.De zink- en magnesiumbron fusiecellen worden een uur lang op 250 graden vergast met gesloten rolluiken. Normaal gesproken gebeurt dit voordat u het substraat in de manipulator laadt. Nadat het substraat is geladen, verwarmen we de zinkfusiecel tot 350 graden C en de magnesiumcel tot 390 graden C.De fusiecellen mogen 10 minuten stabiliseren bij hun bedrijfstemperaturen voordat de rolluiken worden geopend.De intrekbare quartzkristalmonitor bevindt zich voor het substraat in de kamer. Zorg ervoor dat het substraat volledig door de detector wordt afgedekt, zodat er geen metaal op het substraat wordt afgezet. Voer de dichtheid van het metaal in de quartz crystal monitor controller, zodat de controller de dikte van het gedeponeerde metaal op de quartz kristalsensor kan uitlezen.Om de flux te kalibreren, openen we de sluiter op een van de metalen bronnen en laten we de metaalflux uit een van de infuuscel op de sensor storten. De dikte gemeten door de controller zal lineair toenemen met de tijd als het metaal opbouwt op de sensor. Door een rechte lijn aan de dikte te monteren als functie van de tijd, verkrijgen we een nauwkeurige meting van de metaalflux.Zodra de fluxmetingen zijn voltooid, sluit u de luiken op de infuuscellen en trekt u de quartz crystal monitordetector van de voorkant van de monsterhouder in. Deze grafiek toont de temperatuurafhankelijkheid van een flux dat de metaalbron wordt gemeten met een kwartskristalmonitor. De rechte lijnen worden bevestigd aan een verhouding Arrhenius.De flux verdubbelt ongeveer voor elke 12 graden stijging van de brontemperatuur. Schakel de gloeistroom en de hoge spanning op het RHEED-pistool uit om schade aan de gloeidraad te voorkomen in aanwezigheid van een hoge stikstofgasdruk in de groeikamer. De volgende stap is om de stikstofplasmabron te starten.Open een gasklep op de hogedrukcilinder en open vervolgens langzaam de lekklep totdat de stikstofdruk in de groeikamer drie tot vier keer 10 tot min vijf Torr bereikt. Stel vervolgens het vermogen in op de 13,56 MHz RF-voeding op 300 watt. Het plasma wordt gestart met een ontsteker op de plasmabron.Wanneer het plasma is begonnen, is een heldere paarse gloed zichtbaar vanaf de weergavepoort aan de achterkant van de plasmabron. Pas de besturing op de radiofrequentie matching box aan om het reflecterende vermogen zoveel mogelijk te minimaliseren. Een gereflecteerd vermogen van minder dan 15 watt is goed.Richt het gehakte 488 nanometer golflengte argon laserlicht gereflecteerd uit het substraat in de groeikamer op de siliconen foto diode, 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 substraathouder rond twee assen te draaien en door de positie van de siliconendetector en de scherpstellens aan te passen die het gereflecteerde licht verzamelt, zoals in deze afbeelding te zien is. Een laser lijn filter wordt gebruikt om al het licht te blokkeren, behalve voor de 488 nanometer licht van de argon laser.De foto diode output wordt gemeten met een lock-in versterker en deze single is evenredig aan de reflectiviteit van het oppervlak van het substraat. Open de sluiter van een van de metalen bronnen. Noteer de tijdafhankelijke reflectiviteit met een computergestuurde datalogger.De groei van een epitaxiale film zal een oscillerend gereflecteerd signaal produceren dat geassocieerd is met dunne-film optische interferentie tussen de voor- en achterkant van de film. Wanneer de magnesiumnitrietfilms voor het eerst uit de MBE worden gehaald, zijn ze geel, maar vervagen ze snel naar een witachtige kleur. Om de folies te beschermen tegen oxidatie en lucht, wordt aanbevolen om een inkapselingslaag van magnesiumoxide bovenop te storten voordat u de film uit de groeikamer haalt om de film te beschermen tegen oxidatie wanneer deze aan lucht wordt blootgesteld.Dit is vooral belangrijk voor magnesium nitriet en minder kritisch voor zink nitriet. Om een magnesiumoxide inkapseling laag te deponeren, sluit het stikstofgas en schakel over op zuurstofgas en verhoogt de druk van de zuurstof tot 10 tot de min vijf Torr. Tijdens de groei van de aftoppingslaag reduceren we het RF-vermogen tot 250 watt.Het plasma begint bij een lager RF-vermogen met zuurstof dan bij stikstof. Zodra het zuurstofplasma draait, opent u de sluiter van de magnesiumbron en controleert u de tijdafhankelijke reflectiviteit gedurende 10 minuten. Dit zal een magnesiumoxide film die ongeveer 10 nanometer dik.Een optische reflectiviteit van de monsters kan met deze vergelijking worden gemodelleerd. n2 is de brekingsindex van het magnesiumoxidesubstraat op 488 nanometer, wat gelijk is aan 1,75. Theta niets is de hoek van het incident wordt gemeten met betrekking tot het substraat normaal.En t is tijd tijdens het groeiproces. De optische constanten van de film, n1 en k1, en de groeisnelheid worden verkregen door de reflectiviteit als functie van tijd met de vergelijking te passen. Het gele vierkant is een voorbeeld van de magnesium nitriet film bedekt met magnesiumoxide en het zwarte vierkant is een zink nitriet film.De magnesium nitriet is geel omdat het een band gat in de zichtbare, terwijl het zink nitriet is zwart omdat het band kloof is het infrarood. De foto aan de linkerkant is de RHEED elektronendiffractie patroon voor een kale magnesiumoxide substraat met de elektronenbundel uitgelijnd parallel aan de 110 richting. Het middelste beeld is het diffractiepatroon van een zinknitrietfilm en de foto rechts is afkomstig van een magnesiumnitrietfilm.Deze resultaten tonen aan dat de kristalstructuren van de gedeponeerde films zijn georiënteerd in het vlak van het substraat zoals we zouden verwachten voor epitaxiale films. Dit laat zien wat er gebeurt met het elektronendiffractiepatroon wanneer u het naakte magnesiumoxidesubstraat in de monstermanipulator draait. Deze grafiek toont de optische reflectiviteit als functie van de tijd tijdens de groei van zinknitriet en magnesium nitriet films.Door de reflectiviteit als tijdsfunctie aan te passen aan het optische model, u de index van breking extraheren, n, de extinctiecoëfficiënt, k, en het groeipercentage, g, voor de films. De reflectiviteit daalt met de tijd in het geval van de magnesium nitriet films als gevolg van oppervlakte ruwheid verstrooiing, die we wiskundig gemodelleerd door een gedempte exponentiële. In deze video hebben we u laten zien hoe epitaxiale magnesium- en zinknitrietfilms te kweken door plasma-ondersteunde moleculaire bundel epitaxy.Een van onze resultaten is dat het meten van de optische reflectiviteit van de monsters terwijl ze groeien is een goede manier om zowel de groeisnelheid en de optische constanten van de film te bepalen. Helaas heeft ons materiaal geen fotoluminescentie laten zien, hetzij bij kamertemperatuur of bij lage temperatuur, dus er is een noodzaak om verdere verbeteringen in de filmkwaliteit aan te brengen. Experimenten in ons lab op poedermonsters geven een aanwijzing voor hoe dit kan worden gedaan.Zink nitriet poeders gemaakt door te reageren zink met ammoniak bij hoge temperatuur tonen sterke fotoluminescentie. Dit suggereert dat het gebruik van ammoniak in plaats van stikstofgas als stikstofbron een manier zou kunnen zijn om materiaal te maken met verbeterde elektronische eigenschappen.

plasma-assisted-molecular-beam-epitaxy-growth-mg3n2-zn3n2-thin

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Verschillende procedures worden geschetst om atomair gedefinieerde templates voor te bereiden op epitaxiale groei van complexe oxide deklagen. Chemische behandeling van enkele kristallijne SrTiO 3 (001) en DYSCO 3 (110) substraten werden uitgevoerd om atomair glad, enkel beëindigd oppervlakken te verkrijgen. Ca 2 Nb 3 O 10 - nanosheets werden gebruikt om atomair gedefinieerde templates op willekeurige substraten te creëren.

Atomair gedefinieerde templates voor epitaxiale groei van complexe oxide deklagen

Een protocol voor zaadloos en hoog opbrengst groei van bismut nanodraad arrays door middel van vacuüm thermische verdampingstechniek wordt gepresenteerd.

Pitloze groei van bismut Nanowire Array via Vacuum Thermische Verdamping

Dit werk beschrijft de procedures voor de groei en de karakterisering van kristallijn SrTiO 3 rechtstreeks op germaniumsubstraten door atomic layer deposition. De procedure illustreert het vermogen van een all-chemische groeimethode oxiden monolithisch geïntegreerd op halfgeleiders voor metaal-oxide halfgeleiderinrichtingen.

Epitaxiaal Groei van Perovskite Strontiumtitanaat op Germanium via Atomic Layer Deposition

Moleculaire bundel epitaxie wordt gebruikt om N-polar InAlN-barrier high-elektron-mobiliteit transistoren (HEMTs) groeien. Controle van de wafer voorbereiding, laag groeiomstandigheden en epitaxiale structuur resulteert in gladde, compositorisch homogene InAlN lagen en HEMTs die slecht ter been zo hoog als 1750 cm2 / V ∙ sec.

-Plasma ondersteunde Moleculaire bundel epitaxie van N-polaire InAlN-barrière High-elektron-mobiliteit Transistors

Wij fabriceren metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren met behulp van een combinatie van gepulste laser afzetting en in situ magnetron sputteren. Door magnetotransport en in situ X-ray photoelectron spectroscopie experimenten onderzoeken we de wisselwerking tussen elektrostatische en chemische fenomenen van het quasi tweedimensionaal electron gas gevormd in dit systeem.

Groei en elektrostatische fysico-chemische eigenschappen van metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren

Verwezenlijking van kwalitatief hoogwaardige Schottky contacten is noodzakelijk voor het bereiken van efficiënte gate modulatie in heterostructure veld effect transistors (HFETs). We presenteren de fabricage methodologie en de kenmerken van de dioden van de Schottky op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO Heterostructuren met hoge dichtheid twee dimensionale electron gas (2DEG), geteeld door moleculaire straal plasma-bijgewoonde epitaxie op GaN sjablonen.

Fabricage van Schottky Diodes op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO Heterostructure gegroeid door moleculaire Beam Plasma-bijgewoonde epitaxie

Een protocol voor grafeen-ondersteunde groei van hoogwaardige AlN-films op saffiersubstraat met nanopatroon wordt gepresenteerd.

Grafeen-Geassisteerde Quasi-van der Waals Epitaxy van AlN Film op Nano-Patroon Sapphire Substraat voor Ultraviolet Light Emitting Diodes

Een moleculaire bundel gekoppeld aan afstembare vacuüm ultraviolet foto-ionisatie massaspectrometer in een synchrotron is een handige tool om de elektronische structuur van geïsoleerde gasfase moleculen en clusters te verkennen. Proton overdracht mechanismen in DNA-base dimeren werden toegelicht aan deze techniek.

Moleculaire Beam massaspectrometrie met afstelbare Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

We beschrijven een nanomoulding techniek die goedkope nanoschaal patronen van functionele materialen, materialen stapels en volledige apparaten mogelijk maakt. Nanomoulding kan worden uitgevoerd op elke nanoimprinting installatie en kan worden toegepast op een groot aantal materialen en depositieprocessen.

Nanomoulding van Functional Materials, een veelzijdige aanvulling patroon replicatie methode om nanoimprinting

De techniek van diffusieve gradiënten in dunne films (DGT) voorgesteld voor speciatie plutonium. Dit protocol beschrijft diffusie experimenten sonderen het gedrag van Pu (IV) en Pu (V) in aanwezigheid van organisch materiaal. DGTs ingezet in een karstic voorjaar laat de beoordeling van de biologische beschikbaarheid van Pu.

Speciatie en biologische beschikbaarheid Metingen van Milieu Plutonium gebruik van Diffusion in Thin Films

Leer plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy voor het groeien van Mg₃N₂ en Zn₃N₂ dunne films op MgO-substraten. Deze methode maakt optische monitoring van de groei mogelijk voor halfgeleideronderzoek.

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

Meer video's verkennen