Summary
이 문서는 질소 소스 및 광학 성장 모니터링으로 N2 가스와 플라즈마 보조 분자 빔 에피택시에 의해 MgO 기판에 Mg3N2 및 Zn3N2의 에피택시 필름의 성장을 설명합니다.
Abstract
이 문서에서는 혈장 보조 분자 빔 에피택시(MBE)에 의한 Mg3N2 및 Zn3N2 필름을 성장시키는 절차를 설명합니다. 필름은 질소 공급원으로서 N2 가스를 가진 100 방향 MgO 기판에서 성장한다. 기판 및 MBE 성장 과정을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 기판 및 필름 표면의 배향 및 결정 순서는 성장 전과 성장 중에 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)에 의해 모니터링됩니다. 시료 표면의 반사반사도는 488 nm의 파장을 가진 Ar-ion 레이저로 성장하는 동안 측정됩니다. 수학적 모델에 반사도의 시간 의존성을 피팅함으로써, 굴절률, 광학 소멸 계수 및 필름의 성장 속도가 결정됩니다. 금속 플럭스는 석영 결정 모니터를 사용하여 삼출셀 온도의 함수로서 독립적으로 측정됩니다. 일반적인 성장 속도는 Mg3N2 및 Zn3N2 필름에 대해 각각 150°C 및 330°C의 성장 온도에서 0.028 nm/s입니다.
Introduction
II3-V2 재료는 III-V 및 II-VI 반도체 1에 비해 반도체 연구 커뮤니티에서 상대적으로주목을 받지 못한 반도체 등급이다. Mg 및 Zn 질화, Mg3N2 및 Zn3N2는풍부하고 무독성 요소로 구성되어 있어 대부분의 III-V 및 II-VI와 달리 저렴하고 재활용하기 쉽기 때문에 소비자 응용 제품에 매력적입니다. 화합물 반도체. 그들은 CaF2 구조와 유사한 반대로 빅스 바이트 결정 구조를 표시하며, 상호 침투 fcc F-sublattices 중 하나는 반 점유2,3,4,5. 그들은 모두 직접 밴드 갭 재료6,광학응용 프로그램에 적합 7,8,9. Mg3N2의 대역 갭은 가시 스펙트럼(2.5 eV)10이고,Zn3N2의 대역 갭은 근적외선(1.25 eV)11에있다. 이러한 재료의 물리적 특성과 전자 및 광학 장치 응용 분야에 대한 잠재력을 탐구하려면 고품질의 단결정 필름을 얻는 것이 중요합니다. 현재까지 이러한 물질에 대한 대부분의 작업은 반응성 스퍼터링12,13,14,15,16에의해 만들어진 분말 또는 다결정 필름에서 수행되었습니다. 17.
분자 빔 에피택시(MBE)는 깨끗한 환경과 고순도 원소 소스를 사용하여 고품질의 재료를 산출할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 단결정 화합물 반도체 필름(18)을 성장시키기 위한 잘 개발되고 다재다능한 방법입니다. 한편, MBE 의 신속한 셔터 동작은 원자층 스케일에서 필름을 변경할 수 있게 해주며 정밀한 두께 제어를 가능하게 합니다. 이 논문은 고순도 Zn 및 Mg를 증기원으로 사용하고 질소 공급원으로 N2 가스를 사용하여 혈장 보조 MBE에 의한 Mg3N2 및 Zn3N 2 에피택시 필름의 성장을 보고합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. MgO 기판 제제
참고: 상업적일면에 피연마(100) 지향 단결정 MgO 정사각형 기판(1 cm x1 cm)은 X3 N2(X=Zn 및 Mg) 박막 성장을 위해 사용되었다.
- 고온 어닐링
- MgO를 깨끗한 사파이어 웨이퍼 샘플 캐리어에 놓고 연마된 면을 용광로에서 위쪽으로 향하고 1,000°C에서 9시간 동안 어닐을 향하게 합니다. 온도를 10분 동안 1000°C로 올린다.
참고: 고온 어닐링은 표면에서 탄소를 제거하고 MgO 단결정 기판의 표면 결정 구조를 재구성합니다. - MgO 기판을 실온(RT)으로 냉각시.
- MgO를 깨끗한 사파이어 웨이퍼 샘플 캐리어에 놓고 연마된 면을 용광로에서 위쪽으로 향하고 1,000°C에서 9시간 동안 어닐을 향하게 합니다. 온도를 10분 동안 1000°C로 올린다.
- 기판 세척
- 어닐드린 MgO 기판을 수집하고 깨끗한 보로실리케이트 유리 비커에 탈이온수로 헹굽습니다.
- 250 mL 보로실리케이트 유리 비커에서 100 mL의 아세톤으로 MgO 기판을 30 분 동안 끓여 무기 탄소 오염을 취급에서 제거하십시오.
참고: 비커를 덮고 아세톤이 마르지 않도록 하십시오. - 아세톤을 빼내고 50 mL의 메탄올로 MgO 기판을 헹구십시오.
- 질소 가스로 기판을 불어 건조한 다음 건조하고 깨끗한 기판을 깨끗한 칩 트레이에 보관합니다.
2. VG V80 MBE의 작동
- 준비 챔버용 냉각수를 열고, 성장 챔버상에서 냉동 고리(그림 1참조), 삼출전 셀 및 석영 결정 마이크로밸런스 센서를 엽니다.
- 488 nm의 파장을 가진 Ar-ion 레이저를 켭니다. 레이저 광은 다른 방에있는 레이저에서 광섬유와 MBE 챔버로 가져온다.
- 반사 고에너지 전자 회절 건(RHEED), 13.56Mhz 무선 주파수(rf) 플라즈마 발생기 및 석영 크리스탈 마이크로밸런스(QCM) 시스템을 켭니다.
3. 기판 하중
- 빠른 진입 잠금
- 텅스텐 스프링 클립을 사용하여 몰리브덴 샘플 홀더 (그림2A)에깨끗한 MgO 기판을 장착하십시오.
- 빠른 진입 잠금 장치(FEL)의 터보 펌프를 끄고 질소로 FEL 챔버를 환기시킴을 피하십시오. 챔버 압력이 대기압에 도달하면 FEL을 엽니다.
- FEL에서 샘플러 홀더 카세트를 제거하고 기판이 있는 샘플 홀더를 카세트에 로드합니다.
- 카세트를 다시 FEL에 로드하고 터보 펌프를 다시 켭니다.
- FEL의 압력이 10-6 Torr로 떨어질 때까지 기다립니다.
- 5 분 의 기간 동안 100 °C로 빠른 진입 잠금의 온도를 높이고 빠른 진입 잠금에서 30 분 동안 홀더와 함께 기판을 탈기합니다.
- 진공 밸브를 준비 실로 열기 전에 빠른 진입 잠금 의 압력이 10-7 Torr 미만인지 확인하십시오. 동요 스틱 전달 메커니즘을 사용하여 홀더를 준비 챔버로 옮은 다음 탈기 스테이션을 400 °C로 진입시키고 5 시간 동안 탈기 할 수 있습니다.
- 트롤리 전사 메커니즘에 의해 탈기된 홀더를 성장 챔버내의 샘플 조작기로 이송한다. 기판 온도를 30분 동안 최대 750°C까지 올리고 시료가 조작기에서 30분 동안 가스를 빼낼 수 있도록 하십시오.
- 시료 조작기에서 열전대를 사용하여 Mg3N2 필름 성장을 위해 Zn3N2 필름 성장을 위해 기판의 온도를 150°C로 떨어뜨리고 330°C로 시료 온도를 측정하였다.
- 인-시투 RHEED
- 전자 총의 전압을 15 kV로 설정하고 필라멘트 전류를 1.5 A로 설정하면 성장 챔버 압력이 1 x 10-7 Torr 미만이됩니다.
- 기판 홀더를 1) 전자총이 기판의 원리 결정학 축을 따라 정렬될 때까지 회전시키고 2) 명확한 단결정 전자 회절 패턴이 가시화된다.
- RHEED 패턴의 사진을 찍고 사진을 저장합니다.
- 삼출셀의 셔터를 닫고 질소의 흐름을 중지합니다. 챔버 압력이 10-7 Torr 미만일 때 증착 필름에 대한 RHEED 패턴을 측정합니다.
4. 금속 플럭스 측정
- Mg 및 Zn을 위해 표준 그룹 III 형 삼출 세포 또는 저온 삼출 세포를 사용합니다.
- 도가니에 각각 15g과 25g의 고순도 Mg와 Zn 샷을 적재하십시오.
- 성장 챔버가10-8 Torr 이상의 진공을 달성하고 기판 홀더를 적재하기 전에 Zn 또는 Mg 소스 삼출 셀을 ~ 20 °C / min의 램프 속도로 최대 250 °C까지 가스를 내고 셔터를 닫은 채 1 시간 동안 가스를 내도록합니다.
- 기판을 시료 조작기로 적재한 후, Zn 및/또는 Mg 유출 세포를 각각 350°C 또는 390°C로 가열하고, ~10°C/min의 램프 속도로 가열하고, 셔터가 닫혀 안정화될 때까지 10분 정도 기다린다.
- 개폐식 석영 크리스탈 모니터를 사용하여 금속 플럭스를 측정합니다. 석영 결정 센서를 챔버 내부의 기판 앞에 놓습니다. 기판에 금속이 증착되지 않도록 기판이 검출기에 완전히 덮여 있는지 확인하십시오.
- 석영 결정 모니터 (QCM) 컨트롤러에 관심있는 금속의 밀도 (zn = 7.14 g / cm3,θ Mg = 1.74 g / cm3)를입력합니다.
- 플럭스를 보정하려면 금속 소스 중 하나에 대한 셔터를 열고 삼출셀이 센서에 침전되도록 하십시오. QCM 시스템은 질량의 내부 측정을 두께로 변환합니다.
- QCM에 표시된 시간 함수로 증가하는 두께의 경사에서 원소 플럭스를 계산합니다. 몇 분 동안 두께의 증가 속도는 원소 플럭스에 비례한다. 두 가지 예에서, 0.45 nm/s의 Zn 플럭스와 1.0 nm/s의 Mg 플럭스를 얻을 수 있다.
- 플럭스의 온도 의존도가 필요한 경우 삼출세포의 온도를 변경하고 4.8단계를 반복한다. Mg 및 Zn 플럭스의 측정된 온도 의존성은 이러한 특정 성장 시스템에 대한 도 3에 나타내었다.
- 플럭스 측정이 완료되면 유출 셀의 셔터를 닫고 석영 수정 센서를 후퇴시보입니다.
5. 질소 플라즈마
- RHEED 건의 필라멘트 전류 및 고전압을 끄면 성장 챔버에서 높은N2 가스 압력이 있는 경우 손상을 방지할 수 있습니다.
- 고압 N2 실린더에서 가스 밸브를 엽니다.
- 성장 챔버의 질소 압력이 3 x 10-5 -4 x10-5 Torr에 도달할 때까지 누출 밸브를 천천히 엽니다.
- 플라즈마 발전기의 전력을 300W로 설정합니다.
- 플라즈마 소스의 점화기로 플라즈마를 점화합니다. 그림 2B와같이 플라즈마가 점화될 때 뷰포트에서 밝은 보라색 광선이 표시됩니다.
- RF 일치 상자의 컨트롤을 조정하여 반사된 전력을 최대한 최소화합니다. 15W 미만의 반사 전력이 좋다; 이 경우 반사 전력이 12W로 줄어듭니다.
6. 시투 레이저 광 산란
- 성장 챔버의 기판에서 반사된 488 nm Argon 레이저 라이트를 Si 포토다이오드에 집중하여 잠금 증폭기로 전기 신호를 감지할 수 있도록 합니다. 이는 기판 홀더를 2개의 축 주위로 회전시키고 Si 검출기의 위치를 조정한 다음 도4에 도시된 바와 같이 반사된 빛을 수집하는 렌즈에 초점을 맞추어 기판의 각도를 조정함으로써 달성된다.
- 금속 소스 중 하나의 셔터를 엽니다.
- 컴퓨터 제어 데이터 로거를 사용하여 시간에 따른 반사도를 기록합니다. 에피택셜 필름의 성장은 필름의 전면및 후면 사이의 박막 광학 간섭과 관련된 시간과 함께 진동 반사 신호를 생성합니다.
- 공기 중의 산화로부터 필름을 보호하기 위해 캡슐화 층을 증착하여 공기 중의 산화로부터 필름을 보호하십시오. 이것은 공기 중에서 빠르게 산화되는 Mg3N2에 특히 중요합니다.
- MgO 캡슐화 층을 증착하기 위해, 질소 가스를 닫고, 산소 가스로 전환하고, 5.3 단계를 반복하고, 산소 압력을 1 x 10-5 Torr로 증가시다.
- 플라즈마 발전기의 전력을 250W로 설정하고 5.5 단계를 반복합니다. 플라즈마는 질소 가스보다 산소 가스가 있는 낮은 rf 전력에서 시작됩니다.
- Mg 소스에서 셔터를 열고 5-10분 동안 6.4단계를 반복합니다.
참고 : 이것은 약 10 nm 두께의 MgO 필름을 생성합니다. 뚜껑이 없는 Mg3N2 필름은 노란색이지만 공기에 노출되면 20s 이내의 희끄무레한 색상으로 빠르게 퇴색합니다. 따라서 캡슐화 층은 진공 챔버에서 제거한 후 산화되기 전에 필름에서 측정할 시간을 허용해야 합니다. - 가스 밸브를 닫고 레이저를 끄고 기판과 셀 온도를 30 분 만에 ~ ~ 25 °C로 램프하십시오.
- 몇 번의 성장이 실행된 후 광학 창은 금속으로 덮여 있습니다. 알루미늄 호일에 창을 감싸고 가열 테이프로 400 °C로 가열하고 주말 동안 ~ 15 ° C / min 또는 느린 온도 램프 속도로 가열하여 금속을 제거하십시오.
7. 성장률 결정
- 아래 방정식 1을 사용하여 샘플11,19의광학 반사도를 설명합니다.
⑴
어디:
(1 - a)
(1 - b)
(1 - c)
(1 - d) - 및 여기서: n2 = 1.747은 488 nm의 파장에서 MgO 기판의 굴절률; θ는 기판 표면에 대하여 측정된 입사빔의 각도가 정상인; t는 시간입니다. 필름의 광학 상수(n1 및 k1)와 성장 속도는 수학식 1에서 시간의 함수로서 반사도를 피팅함으로써 얻어진다.
⑴
(1 - a)
(1 - b)
(1 - c)
(1 - d)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
도 5B에서 인세트내의 검은 물체는 성장한 200 nm Zn3N2 박막의 사진이다. 유사하게, 도 5C에서 인세트내의 노란색 물체는 성장한 220 nm Mg3N2 박막이다. 노란색 필름은 필름10뒤에 배치된 읽기 쉬운 텍스트까지 투명합니다.
기판 및 필름의 표면을 RHEED에 의해 그(것)들에서 그(것)들 에서 감시되었다. 도 5A는 기판의 [110] 방향을 따라 전자 빔 입사와 함께 베어 기판의 RHEED 패턴을 나타낸다. 도 5B에서증착된 필름에 대한 RHEED 패턴,C는 에피택시의 경우 예상대로 Zn 3 N2 및 Mg3N2 박막의 결정 격자가 기판 표면의 평면에서 배향되는 것을 보여준다. 성장. 여기서 사용되는 조건하에서 성장 모니터링을 위한 RHEED의 단점은 압력이10-7 Torr로 떨어지고 전자 총을 켤 수 있도록 성장 과정을 중단해야 한다는 것입니다.
RHEED와 는 대조적으로, 이면에서 광학 반사도 측정은 챔버내의 압력에 의해 영향을 받지 않는다. 성장 속도를 얻기 위해, 장면 광학 반사도는 수학식1을 사용하여 도 6에 도시된 시간의 함수로서 적합하였다. 이 방정식에서, 성장 시간 t는 독립 변수이고, 필름의 광학 상수(n1, k1)및 성장 속도는 피팅 파라미터이다. 도6에서, MgO 기판 굴절률, 입사각 및 파장은 각각 n2 = 1.747, θ= 36.5°, 및 λ = 488 nm이다. 필름의 피팅된 굴절률은 n1 = 2.65이고, 소멸 계수는 k1 = 0.54이고, 성장 속도는 도 6A에도시된 바와 같이 Zn3N2 박막에 대해 = 0.031 nm/s이다. 마찬가지로, Mg3N2 필름에 대한 가장 적합한 굴절률은 n1 = 2.4이고, 소멸 계수는 k1 = 0.09이고, 성장률은 도 6B에도시된 바와 같이 = 0.033 nm/s이다. 도 6B에서 시간이 지남에 따라 반사 반사의 전반적인 감소는 Mg3N2 박막이 두꺼워짐에 따라 표면 거칠기 산란의 증가에 기인하는 것으로 여겨진다. 거칠기 산란의 효과는 계산된 반사도에 감쇠 지수, e-βt를 곱하여 시뮬레이션하였으며, 여기서 β = 810-5 s-1 및 성장 시간 t는 초 단위로 측정할 수 있습니다.
공기에 노출되면, 뚜껑이 없는 노란색 Mg3N2 필름은 반투명 한 흰색으로 몇 분 안에 희미해졌습니다. 한편, MgO로 덮인 Mg3N2 필름은 비교적 안정적이었다. 산화로부터 캡된 Mg3N2 필름을 더욱 보호하기 위해, Mg3N2/MgO이형구조체는 전자빔 증발에 의해 증착된 CaF2층으로 코팅하였다. 언캡드 Zn3N2가 더 안정적입니다. 그러나, 처음 검은 Zn3N2 영화는 또한 시간이 지남에 따라 산화 하 고 몇 개월 이내에 회색 설정. 산화 반응은 다음 화학반응(20)에따라 수산화 마그네슘의 형성및 방출 암모니아의 형성을 수반하는 것으로 여겨진다. MgO와 유사한 방법을 사용하여 증착된 ZnO 층은 산화를 방지하기 위한 보호층으로서도 사용될 수 있다.
Mg3N2 + 6H2O → 3Mg (OH)2 + 2NH3
그림 1 : VG V80H 분자빔 에피택시 성장 챔버 보기. 이 그림은 RHEED 스크린 및 카메라 하우징, 사중극자 잔류 가스 분석기, 레이저 광 산란 포트의 광학 하드웨어, Mg effusion cell, N-플라즈마 소스, rf 매칭 박스 및 Zn effusion 셀을 갖춘 MBE 성장 챔버를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 플라즈마 소스에서 기판 홀더 및 빛. (A) 모리브덴 샘플 홀더 플레이트에 사각형 MgO 기판을 제자리에 고정하는 두 개의 텅스텐 와이어 클립이 있습니다. (B) N2 가스로 작동할 때 플라즈마 소스의 후면 창에서 유래하는 보라색 광선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 삼출액 세포 온도의 함수로 금속 플럭스. 선은 텍스트에서 설명한 대로 Arrhenius 관계를 사용하여 금속 플럭스의 온도 의존도에 맞습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 인-시투 레이저 광 산란 설정의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5 : RHEED 패턴. (A) MgO 기판에 대한 RHEED 회절 패턴. (B) 블랙 Zn3 N 2 필름의 사진과 함께 자란 Zn3N2 필름의 RHEED 패턴. (C) 노랑 Mg 3 N2 필름의 사진과 함께 자란Mg3N2 기판의 RHEED 패턴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6 : 시구반사율. 488 nm의 (A) Zn3N2 및 (B) Mg3N2 필름에서 시비반사도가 성장시. 계산된 반사도(빨간색 선)는 텍스트에서 설명한 대로 실험 데이터(파란색 원)에 가장 적합합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
기판의 선택과 필름의 구조 및 전자 적 특성을 최적화하는 성장 조건을 확립하는 데 다양한 고려 사항이 포함됩니다. MgO 기판은 공기 중의 고온(1000°C)에서 가열되어 표면으로부터의 탄소 오염을 제거하고 기판 표면에서 결정순서를 개선한다. 아세톤의 초음파 세척은 MgO 기판을 청소하는 좋은 대안 방법입니다.
Zn3N2 필름에 대한 (400) X선 회절 피크는 필름이 무난판 기판상에서 재배되었을 때와 비교하여 고온, 어닐링 MgO 기판에서 성장했을 때 더 좁은 것으로 나타났다. MgO(0.421 nm)의 격자 상수는 Zn3N2(0.976 nm) 또는 Mg3N2(0.995 nm)의 격자 상수보다 현저히 작고 반도체 필름과 잘 일치하지 않는다. 시판되는 IV, III-V, 및 II-VI 기판의 격자 상수는 모두 Mg3 N2 및Zn 3N2의격자 상수보다 크다. 보다 잘 일치하는 기판이 바람직하다. 0.543 nm의 격자 상수를 가지고 있는 실리콘은 MgO보다 Mg3N2에 다소 잘 어울리며 탐구할 가치가 있습니다. Zn3N2 필름은 또한 A-평면 사파이어 기판에서 재배되었다. 이들 필름의 구조적 품질은 MgO 기판에서 볼 수 있는 것만큼 좋지 않았으며, RHEED 스팟 및 (400) Zn3N2 X선 회절 피크의 폭에 의해 지시된 바와 같이. 사파이어 기판의 경우, 후면을 Cr(50 nm)과 Mo(200 nm)로 코팅하여 기판 홀더와 기판 사이의 열 결합을 개선하였다.
기판 온도는 기판 홀더와 히터 사이의 밀폐된 진공 공간에 위치한 열전대와 함께 성장 하는 동안 측정되며, 기판 홀더 또는 기판과 물리적으로 접촉하지 않는다. 그 결과, 실제 기판 온도는 센서 온도보다 낮을 것으로 예상되었다. 성공적인Mg3N2 및 Zn3N2 성장은 각각 300-350°C 및 140-180°C 범위에서 열전대 온도로 수득하였다.
높은 성장 온도는 성장 표면에 광고 원자의 이동성을 증가시키고 적은 구조적 결함과 재료를 생산 할 것으로 예상 될 수있다. 그러나, 높은 기판 온도에서, 성장 속도가 낮으며, 이는 표면으로부터 금속 원자의 재증발에 기인하는 것으로 해석된다. 높은 금속 플럭스에서, 필름 성장 속도는 활성 질소의 공급에 의해 제한된다. 활성 질소는 플라즈마 소스(300W max)에 가해지는 높은 rf 전력과 높은 질소 유동속도로 최대화됩니다. N2 유량은 성장 챔버내의 최대 압력에 의해 제한되며, 이 경우 10-5 Torr 대중반에 있었다. 암모니아는 가능한 대체 질소 공급원입니다. Mg 및 Zn은 플라즈마 활성화없이 고온에서 NH 3과 반응합니다. 그러나, 표면에 Mg와 Zn 원자의 체류 시간이 NH 3금속과 반응하는 온도에서 필름 성장을 지원하기에 충분히 오래 될 지 여부는 불분명하다.
이러한 실험에서, 삼출세포는 Mg에 대해 40 cc, Zn에 대해 25cc의 용량을 가진 열분해 붕소(PBN) 도가니와 함께 사용하였다. 그림 3의 직선은 플럭스의 측정된 온도 의존도에 적합합니다. 피팅은 플럭스 = exp(-B/kT)및 피팅 파라미터(A,B)는 Mg 및 Zn 소스에 대해 각각 (8.5 x 10 17nm/s, 2.3 eV) 및 (1.3 x 1015 nm/s, 1.9 eV)입니다. 플럭스는 Mg 및 Zn에 대한 삼출 전지 온도의 각각 10°C 및 12°C 증가와 함께 약 두 배가 된다. 도6에 나타낸 성장의 경우, 금속 플럭스는 도 3에서 최대값에 가까웠다(~1 nm/s는 Mg 플럭스가 Zn 플럭스보다 높음) 필름 성장률은 0.03 nm/s에 불과하였다. 이는 Mg가 Zn보다 낮고 대부분의 금속이 다시 증발하는 등 금속 사용률이 낮다는 것을 보여줍니다.
성장 시 높은 N2 배경 압력은 RHEED를 통해 필름 성장의 지속적인 모니터링을 배제합니다. RHEED 건의 차동 펌핑은 이 문제를 해결할 수 있습니다. situ 광학 반사도 측정은 가스 압력의 영향을 받지 않는 보완 적인 모니터링 도구의 역할을하며 성장 속도를 결정하기위한 정확하고 신뢰할 수있는 기술을 제공합니다. 기판의 비스페큘러 또는 확산 반사도는 또한 감판에서 측정될 수 있으며 성장 중 표면 거칠기에 대한 정보를 제공할 것입니다.
MBE 성장 챔버내의 기압은 N2 가스가 꺼진 10-8 Torr이다. 성장 챔버내의 저온 소는 필름 성장 중에 물로 냉각됩니다. 이러한 조건하에서, 일부 잔류 산소 오염은 필름에서 예상될 수 있다. 성장 챔버 내의 잔류 수증기 압력은 -80°C21에서실리콘 오일과 같은 슈라우드에서 더 낮은 온도 냉각제로 감소될 수 있다.
결론적으로, 이 프로토콜은 플라즈마 보조 분자 빔 에피택시에 의해 Mg3N2 및 Zn3N2의 단결정 필름을 성장하는 방법을 설명하고 성장 과정이 필름을 더욱 개선하기 위해 어떻게 변화될 수 있는지에 대한 제안을 제공합니다. 품질. 이들 물질은 실온 또는 저온에서 광발광을 나타내지 않았다. 필름내의 결함 밀도를 더욱 감소시킬 필요가 있다. Mg3N 2-Zn3N2 합금은 또한 플라즈마 보조 분자 빔 에피택시에 의해 재배될 수 있다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 작품은 캐나다의 자연 과학 및 공학 연구 위원회에 의해 지원되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (100) MgO | University Wafer | 214018 | one side epi-polished |
| Acetone | Fisher Chemical | 170239 | 99.8% |
| Argon laser | Lexel Laser | 00-137-124 | 488 nm visible wavelength, 350 mW output power |
| Chopper | Stanford Research system | SR540 | Max. Frequency: 3.7 kHz |
| Lock-in amplifier | Stanford Research system | 37909 | DSP SR810, Max. Frequency: 100 kHz |
| Magnesium | UMC | MG6P5 | 99.9999% |
| MBE system | VG Semicon | V80H0016-2 SHT 1 | V80H-10 |
| Methanol | Alfa Aesar | L30U027 | Semi-grade 99.9% |
| Nitrogen | Praxair | 402219501 | 99.998% |
| Oxygen | Linde Gas | 200-14-00067 | > 99.9999% |
| Plasma source | SVT Associates | SVTA-RF-4.5PBN | PBN, 0.11" Aperture, Specify Length: 12" – 20" |
| Si photodiode | Newport | 2718 | 818-UV Enhanced, 200 - 1100 nm |
| Zinc | Alfa Aesar | 7440-66-6 | 99.9999% |
References
- Suda, T., Kakishita, K. Band-gap energy and electron effective mass of polycrystalline Zn3N2. Journal of Applied Physics. 99 (7), 076101.1-076101.3 (2006).
- Hu, J., Bando, Y., Zhan, J., Zhi, C., Golberg, D. Carbon nanotubes as nanoreactors for fabrication of single-crystalline Mg3N2 nanowires. Nano Letters. 6 (6), 1136-1140 (2006).
- Fang, C. M., Groot, R. A., Bruls, R. J., Hintzen, H. T., With, G. Ab initio band structure calculations of Mg3N2 and MgSiN2. Journal of Physics: Condensed Matter. 11 (25), 4833-4842 (1999).
- Yoo, S. H., Walsh, A., Scanlonc, D. O., Soon, A. Electronic structure and band alignment of zinc nitride, Zn3N2. RSC Advances. 4 (7), 3306-3311 (2014).
- Partin, D. E., Williams, D. J., O'Keeffe, M. The crystal structures of Mg3N2 and Zn3N2. Journal of Solid-State Chemistry. 132 (1), 56-59 (1997).
- Ullah, M., Murtaza, G., Ramay, S. M., Mahmood, A. Structural, electronic, optical and thermoelectric properties of Mg3X2 (X = N, P, As, Sb, Bi) compounds. Materials Research Bulletin. 91, 22-30 (2017).
- Li, C. T. Electrocatalytic zinc composites as the efficient counter electrodes of dye-sensitized solar cells: study on the electrochemical performance and density functional theory Calculations. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (51), 28254-28263 (2015).
- Sinha, S., Choudhury, D., Rajaraman, G., Sarkar, S. Atomic layer deposition of Zn3N2 thin films: growth mechanism and application in thin film transistor. RSC Advances. 5 (29), 22712-22717 (2015).
- Bhattacharyya, S. R., Ayouchi, R., Pinnisch, M., Schwarz, R. Transfer characteristic of zinc nitride based thin film transistors. Physica Status Solidi C. 9 (3-4), 469-472 (2012).
- Wu, P., Tiedje, T. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films. Applied Physics Letters. 113 (8), 082101.1-082101.4 (2018).
- Wu, P., et al. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of single crystal Zn3N2 films. Semiconductor Science and Technology. 31 (10), 10LT01.1-10LT01.4 (2016).
- Jiang, N., Georgiev, D. G., Jayatissa, A. H. The effects of the pressure and the oxygen content of the sputtering gas on the structure and the properties of zinc oxy-nitride thin films deposited by reactive sputtering of zinc. Semiconductor Science and Technology. 28 (2), 025009 (2013).
- Nakano, Y., Morikawa, T., Ohwaki, T., Taga, Y. Electrical characterization of p-type N-doped ZnO films prepared by thermal oxidation of sputtered Zn3N2 films. Applied Physics Letters. 88 (17), 172103.1-172103.3 (2006).
- Cao, X., Yamaguchi, Y., Ninomiya, Y., Yamada, N. Comparative study of electron transport mechanisms in epitaxial and polycrystalline zinc nitride films. Journal of Applied Physics. 119 (2), 025104.1-025104.10 (2016).
- Jia, J., Kamijo, H., Nakamura, S., Shigesato, Y. How the sputtering process influence structural, optical, and electrical properties of Zn3N2 films. MRS Communications. 8 (2), 314-321 (2018).
- Trapalis, A., Hefferman, J., Farrer, I., Sherman, J., Kean, A. Structural, electrical and optical characterization of as-grown and oxidized zinc nitride films. Journal of Applied Physics. 120 (20), 205102.1-205102.9 (2016).
- Núñez, C. G., et al. On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen. Thin Solid Films. 520 (6), 1924-1929 (2012).
- Oshima, T., Fujita, S. (111)-oriented Zn3N2 growth on a-plane sapphire substrates by molecular beam epitaxy. Japanese Journal of Applied Physics. 45 (111), 8653-8655 (2006).
- Heavens, O. S. Optical properties of thin solid films. , Butterworth, London. 46-48 (1955).
- Heyns, A. H., Prinsloo, L. C., Range, K. J., Stassen, M. The vibrational spectra and decomposition of α-calcium nitride (α-Ca3N2) and magnesium nitride (Mg3N2). Journal of Solid-State Chemistry. 137, 33-41 (1998).
- Lewis, R. B., Bahrami-Yekta, V., Patel, M. J., Tiedje, T., Masnadi-Shirazi, M. Closed-cycle cooling of cryopanels in molecular beam epitaxy. Journal of Vacuum Science Technology B. 32 (2), 02C102.1-02C102.7 (2014).
