Wspomagany plazmą wzrost epitaksji wiązki molekularnej cienkich warstw Mg3N2 i Zn3N2

W tym filmie pokazujemy, jak wyhodować warstwy epitaksjalne azotynu magnezu i azotynu za pomocą epitaksji molekularnej wspomaganej plazmą, w skrócie MBE. Azotyn magnezu i azotyn są złożonymi materiałami półprzewodnikowymi II-V. Jest to stosunkowo mało zbadana klasa półprzewodników.

Mają strukturę krystaliczną anty-bixbyit, która ma 80 atomów w konwencjonalnej komórce elementarnej sześcianu. Folie są uprawiane w systemie VG V80 MBE. Pozioma komora po lewej stronie to komora przygotowawcza, a okrągła komora po prawej to komora wzrostowa, w której odbywa się wzrost filmu.

Zamek do wprowadzania próbek, znajdujący się po lewej stronie komory przygotowawczej. Najlepszym substratem, jaki znaleźliśmy do uprawy epitaksjalnego azotynu magnezu i azotynu, jest 100-zorientowany monokryształ tlenku magnezu. Podłoża o powierzchni jednego centymetra kwadratowego są najpierw umieszczane na nośniku próbki wafla szafirowego polerowaną stroną do góry i wyżarzane przez dziewięć godzin w temperaturze 1,000 stopni C. Wyżarzanie w wysokiej temperaturze usuwa węgiel z powierzchni i rekonstruuje strukturę krystaliczną powierzchni substratów monokryształowych tlenku magnezu.

Po wyżarzaniu próbki są płukane w wodzie dejonizowanej, gotowane w acetonie przez 30 minut w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń węglem organicznym z obsługi, a następnie są ponownie płukane w metanolu i wydmuchiwane do sucha azotem. Pierwszym krokiem we wzroście MBE jest włączenie wody chłodzącej dla komórek fuzyjnych i krio-osłony w komorze wzrostowej. Następnie włączamy laser monitorujący wzrost, zasilacz RHEED, zasilacz generatora plazmy RF oraz system mikrobalansu kryształów kwarcu.

Podłoża z tlenku magnezu są montowane na uchwytach na próbki molibdenu o średnicy trzech cali za pomocą wolframowych zacisków sprężynowych. Pierwszym krokiem w ładowaniu próbek do MBE jest wyłączenie pompy turbo i odpowietrzenie zamka szybkiego wejścia. Kaseta z uchwytem próbki jest wyjmowana z zamka szybkiego wprowadzania i ładowana jest nowa próbka do kasety, a kaseta jest wkładana z powrotem do zamka szybkiego wprowadzania.

Pompa turbo służy do opróżniania zamka szybkiego wsiadania. Dlatego zwykle odgazowujemy podłoże w śluzie szybkiego wejścia pod kątem 100 stopni Celsjusza przez 30 minut. A następnie przenieś go do komory przygotowawczej do odgazowania w temperaturze 400 stopni Celsjusza na pięć godzin.

Uchwyt na próbkę odgazowywania jest przenoszony za pomocą mechanizmu wózka do komory wzrostu, gdzie jest ładowany do manipulatora próbek. Próbka jest odgazowywana w manipulatorze w temperaturze 750 stopni C przez 30 minut. Upewnij się, że woda chłodząca jest włączona w osłonie kriogenicznej, aby uniknąć przegrzania.

W przypadku wzrostu azotynu magnezu temperatura podłoża jest obniżana do 330 stopni. Ciśnienie w komorze wzrostowej powinno teraz wynosić poniżej 10 do minus ośmiu Torr. Napięcie w odbiciowym pistolecie dyfrakcyjnym elektronów o wysokiej energii, w skrócie RHEED, powoli wzrasta do 15 kilowoltów, a prąd grzałki żarówki jest ustawiony na półtora ampera.

Uchwyt substratu jest obracany, aż wzór dyfrakcji elektronów wykaże wyrównanie z główną osią graficzną kryształu podłoża i widoczny będzie wyraźny wzór dyfrakcji elektronów monokryształu. Standardowe ogniwa dyfuzyjne grupy trzeciej lub niskotemperaturowe komórki dyfuzyjne są używane do magnezu i. Tygle zostały załadowane odpowiednio 15 gramami i 25 gramami śrutu magnezowego i cynkowego o wysokiej czystości.

Ogniwa fuzyjne źródła i magnezu są odgazowywane w temperaturze 250 stopni przez godzinę przy zamkniętych żaluzjach. Zwykle odbywa się to przed załadowaniem podłoża do manipulatora. Po załadowaniu podłoża podgrzewamy cynkową komorę fuzyjną do 350 stopni C, a komórkę magnezową do 390 stopni C. Komory fuzyjne pozostawia się do ustabilizowania przez 10 minut w ich temperaturach roboczych przed otwarciem żaluzji.

Wysuwany monitor kwarcowy jest umieszczony przed podłożem wewnątrz komory. Upewnij się, że podłoże jest całkowicie pokryte detektorem, aby na podłożu nie osadzał się metal. Wprowadź gęstość metalu do sterownika monitora kwarcowego, aby sterownik mógł odczytać grubość osadzonego metalu na czujniku kwarcowym.

W celu kalibracji strumienia otwieramy przesłonę na jednym ze źródeł metalu i pozwalamy, aby strumień metalu z jednej z komór infuzyjnych osiadł na czujniku. Grubość mierzona przez sterownik będzie rosła liniowo z czasem, w miarę jak metal gromadzi się na czujniku. Dopasowując linię prostą do grubości w funkcji czasu, uzyskujemy dokładny pomiar strumienia metalu.

Po zakończeniu pomiarów strumienia zamknij przesłony na kuwetach infuzyjnych i schuj detektor monitora kryształu kwarcu z przodu uchwytu próbki. Ten wykres pokazuje zależność od temperatury strumienia, który jest mierzony przez źródło metalu za pomocą monitora kwarcowego. Linie proste są powiązane z relacją Arrheniusa.

Strumień w przybliżeniu podwaja się na każde 12 stopni wzrostu temperatury źródła. Wyłącz prąd żarnika i wysokie napięcie na pistolecie RHEED, aby zapobiec uszkodzeniu żarnika w obecności wysokiego ciśnienia azotu w komorze wzrostu. Następnym krokiem jest uruchomienie źródła plazmy azotowej.

Otwórz zawór gazowy na butli wysokociśnieniowej, a następnie powoli otwórz zawór wyciekowy, aż ciśnienie azotu w komorze wzrostu osiągnie trzy do czterech razy 10 do minus pięć Torr. Następnie ustaw moc zasilacza RF 13.56 MHz na 300 watów. Plazma jest uruchamiana za pomocą zapalnika na źródle plazmy.

Kiedy plazma się rozpocznie, jasna fioletowa poświata jest widoczna z okienka podglądu z tyłu źródła plazmy. Dostosuj element sterujący na skrzynce dopasowania częstotliwości radiowej, aby zminimalizować moc odbicia tak bardzo, jak to możliwe. Moc odbita mniejsza niż 15 watów jest dobra.

Skoncentruj posiekane światło lasera argonowego o długości fali 488 nanometrów, odbite od podłoża w komorze wzrostowej na silikonowej fotodiodzie, tak aby wzmacniacz blokujący mógł wykryć sygnał elektryczny. Osiąga się to poprzez regulację kąta podłoża poprzez obrócenie uchwytu podłoża wokół dwóch osi oraz poprzez regulację położenia silikonowego detektora i soczewki skupiającej, która zbiera odbite światło, jak pokazano na tym rysunku. Filtr liniowy lasera służy do blokowania całego światła z wyjątkiem światła o długości 488 nanometrów z lasera argonowego.

Moc wyjściowa fotodiody jest mierzona za pomocą wzmacniacza typu lock-in, a ten pojedynczy jest proporcjonalny do współczynnika odbicia powierzchni podłoża. Otwórz migawkę jednego z metalowych źródeł. Rejestruj współczynnik odbicia zależny od czasu za pomocą sterowanego komputerowo rejestratora danych.

Wzrost filmu epitaksjalnego wytworzy oscylacyjny odbity sygnał związany z cienkowarstwową interferencją optyczną między przednią i tylną powierzchnią folii. Kiedy folie azotynu magnezu są po raz pierwszy wyjmowane z MBE, są żółte, ale szybko blakną do białawego koloru. Aby chronić folie przed utlenianiem i powietrzem, zaleca się osadzenie warstwy enkapsulacyjnej tlenku magnezu na wierzchu przed wyjęciem folii z komory wzrostowej, aby chronić folię przed utlenianiem, gdy jest wystawiona na działanie powietrza.

Jest to szczególnie ważne w przypadku azotynu magnezu i mniej krytyczne w przypadku azotynu. Aby zdeponować warstwę enkapsulacyjną tlenku magnezu, zamknij gazowy azot i przełącz się na tlen gazowy i zwiększ ciśnienie tlenu do 10 do minus pięciu Torr. Podczas wzrostu warstwy zamykającej zmniejszamy moc RF do 250 watów.

Plazma zaczyna się od niższej mocy RF z tlenem niż z azotem. Gdy plazma tlenowa zacznie działać, otwórz migawkę na źródle magnezu i monitoruj współczynnik odbicia zależny od czasu przez 10 minut. W ten sposób powstanie film z tlenku magnezu o grubości około 10 nanometrów.

Za pomocą tego równania można modelować współczynnik odbicia optycznego próbek. n2 to współczynnik załamania podłoża z tlenku magnezu o długości 488 nanometrów, co jest równe 1,75. Theta naught to kąt padania mierzony w stosunku do normalnej podłoża.

I to jest czas podczas procesu wzrostu. Stałe optyczne folii, n1 i k1 oraz szybkość wzrostu uzyskuje się przez dopasowanie współczynnika odbicia w funkcji czasu do równania. Żółty kwadrat jest przykładem filmu z azotynu magnezu pokrytego tlenkiem magnezu, a kwadrat to film z azotynu.

Azotyn magnezu jest żółty, ponieważ ma przerwę energetyczną w zakresie widzialnym, podczas gdy azotyn jest, ponieważ jego pasmo wzbronione to podczerwień. Rysunek po lewej stronie to wzór dyfrakcji elektronów RHEED dla gołego podłoża z tlenku magnezu z wiązką elektronów ustawioną równolegle do kierunku 110. Środkowy obraz to wzór dyfrakcyjny z warstwy azotynu, a obraz po prawej stronie pochodzi z warstwy azotynu magnezu.

Wyniki te pokazują, że struktury krystaliczne osadzonych warstw są zorientowane w płaszczyźnie podłoża, tak jak można by się spodziewać w przypadku warstw epitaksjalnych. To pokazuje, co dzieje się ze wzorem dyfrakcji elektronów po obróceniu gołego podłoża z tlenku magnezu w manipulatorze próbek. Ten wykres przedstawia współczynnik odbicia optycznego w funkcji czasu podczas wzrostu warstw azotynu i azotynu magnezu.

Dopasowując współczynnik odbicia w funkcji czasu do modelu optycznego, można wyodrębnić współczynnik załamania światła, n, współczynnik ekstynkcji k i szybkość wzrostu, g, dla filmów. Współczynnik odbicia spada z czasem w przypadku warstw z azotynu magnezu ze względu na rozpraszanie chropowatości powierzchni, które modelowaliśmy matematycznie za pomocą tłumionej wykładniczej. W tym filmie pokazaliśmy, jak wyhodować epitaksjalne folie z azotynu magnezu i za pomocą epitaksji wiązki molekularnej wspomaganej plazmą.

Jednym z naszych wyników jest to, że pomiar odbicia optycznego próbek podczas ich wzrostu jest dobrym sposobem na określenie zarówno szybkości wzrostu, jak i stałych optycznych folii. Niestety nasz materiał nie wykazywał fotoluminescencji, ani w temperaturze pokojowej, ani w niskiej temperaturze, dlatego istnieje potrzeba dalszej poprawy jakości folii. Eksperymenty w naszym laboratorium na próbkach proszku dostarczają wskazówek, jak można to zrobić.

Proszki azotynów powstałe w reakcji z amoniakiem w wysokiej temperaturze wykazują silną fotoluminescencję. Sugeruje to, że użycie amoniaku zamiast azotu jako źródła azotu może być sposobem na wytworzenie materiału o ulepszonych właściwościach elektronicznych.