Summary

Plasma-Assisted molekylär stråle epitaxy tillväxt av mg3n2 och Zn3n2 tunna filmer

Published: May 11, 2019
doi:

Summary

Denna artikel beskriver tillväxten av epitaxiell filmer av mg3n2 och Zn3n2 på MgO substrat av plasma-Assisted molekylstråle epitaxyen med N2 gas som kvävekälla och optisk tillväxt övervakning.

Abstract

I denna artikel beskrivs ett förfarande för odling av mg3n2 och Zn3n2 filmer med plasma-Assisted molekylstråle epitaxyen (MBE). Filmerna odlas på 100 orienterade MgO substrat med N2 gas som kvävekälla. Metoden för att bereda substrat och MBE tillväxtprocess beskrivs. Orienteringen och den crystalline beställer av substraten, och filma ytbehandlar övervakas av reflexionen kick energi elektrondiffraktion (RHEED) för och under tillväxt. Prov ytans speglande reflektivitet mäts under tillväxt med en ar-Ion-laser med en våglängd på 488 nm. Genom att montera tid beroendet av reflektivitet till en matematisk modell, brytningsindex, optisk utrotning koefficient, och tillväxttakten i filmen bestäms. Metall flödena mäts självständigt som en funktion av utgjutning cell temperaturer med hjälp av en kvartskristall Monitor. Typiska tillväxttakten är 0,028 nm/s vid tillväxt temperaturer på 150 ° c och 330 ° c för mg3n2 och Zn3n2 filmer, respektive.

Introduction

II3-v2 -materialen är en klass av halvledare som har fått relativt lite uppmärksamhet från halvledar forskarsamfundet jämfört med III-v och II-vi halvledare1. Mg och Zn nitrider, mg3n2 och Zn3n2, är attraktiva för konsumentapplikationer eftersom de består av rikligt och giftfria element, vilket gör dem billiga och lätta att återvinna till skillnad från de flesta III-V och II-vi sammansatta halvledare. De visar en anti-bixbyite kristallstruktur som liknar CaF2 struktur, med en av de interpenetrerande FCC F-sublattices är halva ockuperade2,3,4,5. De är både direkta band gap material6, vilket gör dem lämpliga för optiska tillämpningar7,8,9. Bandet gap av mg3n2 är i det synliga spektrumet (2,5 EV)10, och bandet gap av Zn3N2 är i nära-infraröd (1,25 EV)11. För att utforska de fysikaliska egenskaperna hos dessa material och deras potential för elektroniska och optiska applikationer, är det viktigt att få högkvalitativa, enkla kristall filmer. Det mesta arbetet med dessa material hittills har utförts på pulver eller polykristallina filmer gjorda av reaktiv sputtring12,13,14,15,16, 17.

Molekylär balk epitaxyen (MBE) är en väl utvecklad och mångsidig metod för att odla Single-Crystal sammansatta halvledar filmer18 som har potential att ge högkvalitativa material med hjälp av en ren miljö och hög renhet elementärt källor. Samtidigt, MBE snabb slutare åtgärder möjliggör förändringar i en film på atomlager skala och möjliggör exakt tjocklek kontroll. Detta dokument rapporterar om tillväxten av mg3n2 och Zn3n2 epitaxiell filmer på MgO substrat av plasma-Assisted MBE, med hög renhet Zn och mg som ång källor och N2 gas som kvävekälla.

Protocol

1. MgO substrat beredning Anmärkning: kommersiell One-Side EPI-polerad (100) orienterade Single Crystal MgO kvadratiska substrat (1 cm x 1 cm) var anställda för X3N2 (x = Zn och mg) tunnfilms tillväxt. Hög temperatur glödgning Placera MgO på en ren safir wafer prov bärare med den polerade sidan vänd uppåt i en ugn och glöden för 9 h vid 1 000 ° c. Höj temperaturen till 1000 ° c under en 10 min-period.Obs: hög temperatur gl?…

Representative Results

Det svarta objektet i insetet i Figur 5b är ett fotografi av en as-odlad 200 nm Zn3N2 tunn film. På samma sätt är det gula objektet i insetet i figur 5c en as-odlad 220 nm mg3N2 tunn film. Den gula filmen är transparent i den mån det är lätt att läsa text placerad bakom filmen10. Underlaget och…

Discussion

En mängd olika överväganden är involverade i valet av substrat och upprättande av tillväxtförhållanden som optimerar de strukturella och elektroniska egenskaperna hos filmerna. MgO-substrat värms vid hög temperatur i luft (1000 ° c) för att avlägsna kol förorening från ytan och förbättra den kristallina ordningen i substrat ytan. Ultraljudsrengöring i aceton är ett bra alternativ metod för att rengöra MgO-substrat.

Den (400) röntgen diffraktions topp för Zn3N<…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av naturvetenskapliga och tekniska forskningsrådet i Kanada.

Materials

(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

  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. , 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).

Play Video

Cite This Article
Wu, P., Tiedje, T. Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films. J. Vis. Exp. (147), e59415, doi:10.3791/59415 (2019).

View Video