Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Mg3n2 ve Zn3n2 Ince filmlerin plazma destekli moleküler ışın epitaxy büyümesi

7K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/59415

⸱

11 Mayıs 2019

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

Bu makalede

Özet

Bu makalede, mg3n2 ve Zn3n2 ' nin Epitaksiyel filmlerinin, azot kaynağı ve optik büyüme izleme olarak N2 gaz Ile plazma destekli moleküler kiriş epitaxy tarafından MgO substratlar üzerinde büyümesi anlatılmaktadır.

Özet

Bu makalede, plazma destekli moleküler ışın epitaxy (MBE) tarafından mg3n2 ve Zn3n2 filmleri büyüyen bir yordam açıklanır. Filmler, azot kaynağı olarak N2 gaz ile 100 odaklı MgO substrat üzerinde yetiştirilen. Substratlar ve MBE büyüme sürecini hazırlamak için yöntem açıklanmıştır. Substrat ve film yüzeyinin Oryantasyon ve kristalin sırası, yüksek enerji elektron kırması (RHEED) önce ve büyüme sırasında yansıma tarafından izlenir. Numune yüzeyinin speküler yansıtıcılık 488 nm dalga boyu ile bir ar-iyon lazer ile büyüme sırasında ölçülür. Yansıtıcılığın zaman bağımlılığını matematiksel bir modele sığdırarak, refraktif Endeks, optik tükenme katsayısı ve filmin büyüme oranı belirlenir. Metal Fluxlar, kuvars kristal monitör kullanılarak efüzyon hücresi sıcaklıklarının bir fonksiyonu olarak bağımsız olarak ölçülür. Tipik büyüme oranları sırasıyla 150 °C ' nin büyüme sıcaklıklarında 0,028 nm/s, mg3n2 ve Zn3n2 filmler için 330 °c ' dir.

Giriş

II3-v2 malzemeleri, III-v ve II-VI yarı iletkenler1' e kıyasla Yarıiletken araştırma topluluğundan nispeten az dikkat çeken bir yarıiletken sınıfıdır. Mg ve Zn nitrides, mg3n2 ve Zn3n2, onlar bol ve toksik olmayan elemanları oluşur, çünkü tüketici UYGULAMALARı için cazip, onları ucuz ve en III-V ve II-VI aksine geri dönüşüm kolay hale bileşik Yarıiletkenler. CaF2 yapısına benzer bir anti-bixbyite kristal yapısı gösteriyorlar, interpenetran FCC F-sublattıclardan biri yarı işgal edilmiş2,3,4,5. Hem doğrudan bant Gap malzeme6, optik uygulamalar için uygun hale7,8,9. Mg3n2 ' nin grup boşluğu görünür spektrumunda (2,5 ev)10ve Zn3n2 ' nin bant boşluğu yakın kızılötesi (1,25 ev)11' de. Bu malzemelerin fiziksel özelliklerini ve elektronik ve optik cihaz uygulamalarının potansiyelini keşfetmek için yüksek kalitede, tek kristal filmler elde etmek önemlidir. Bu materyallerin en çok çalışması, reaktif püskürtücüler12,13,14,15,16ile yapılan tozlar veya Polikristal filmler üzerinde yapılmıştır. 17 yaşında.

Moleküler ışın epitaxy (MBE), temiz bir ortam ve yüksek saflıkta Elemental kaynaklar kullanarak yüksek kaliteli malzemeler elde etme potansiyeline sahip tek kristal bileşik Yarıiletken filmleri18 büyüyen için iyi geliştirilen ve çok yönlü bir yöntemdir. Bu arada, MBE hızlı deklanşör eylem atomik katman ölçekte bir film değişiklikleri sağlar ve hassas kalınlık kontrolü için izin verir. Bu yazıda plazma destekli MBE ile MgO substratlar üzerinde mg3n2 ve Zn3n2 Epitaksiyel filmler büyümesi hakkında raporlar, yüksek saflık Zn ve mg buharı kaynakları ve N2 Gaz azot kaynağı olarak kullanarak.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. MgO substrat hazırlama

Not: ticari tek taraflı epi cilalı (100) odaklı tek kristal MgO kare substratlar (1 cm x 1 cm) X3N2 (x = Zn ve mg) ince film büyüme için istihdam edildi.

  1. Yüksek sıcaklık tavlama
    1. MgO 'ya, 1.000 °c ' de 9 h için bir fırın ve tavlama yukarı dönük cilalı tarafı ile temiz Safir gofret örnek taşıyıcı yerleştirin. Sıcaklığa 10 dakika boyunca 1000 °C ' ye kadar yükseltin.
      Not: yüksek sıcaklık tavlama yüzeyden karbon kaldırır ve MgO tek kristal yüzeylerin yüzey kristal yapısını yeniden oluşturur.
    2. MgO substratlar oda sıcaklığına (RT) serin.
  2. Substrat temizliği
    1. Tavlanmış MgO substratlar toplayın ve temiz borosilikat cam Beaker deiyonize suda durulayın.
    2. Bir 250 ml borosilikat cam kabı içinde 100 ml aseton içinde MgO yüzeylerde kaynatın 30 dakika işleme inorganik karbon kirlilik kaldırmak için.
      Not: kabı kapak ve kuru kaynatmak için aseton izin vermez.
    3. Asetonu boşaltın ve 50 mL metanol içinde MgO yüzeylerde durulayın.
    4. Azot Gazı ile alt yüzeylerde kuru, sonra temiz çip tepsisinde kuru, temiz substratlar saklayın.

2. VG V80 MBE operasyonu

  1. Hazırlama odası için soğutma suyunu açın, büyüme odasında kriyokefle (bkz. Şekil 1), effüzyon hücreleri ve kuvars kristal mikrodenge sensörü.
  2. 488 nm dalga boyu ile ar-iyon lazer açın. Lazer ışığı, başka bir odada bulunan lazer, bir optik fiber ile MBE odasına getirilir.
  3. Yansıma yüksek enerji elektron kırması silahı (RHEED), 13,56 MHz radyo frekansı (RF) plazma jeneratör ve kuvars kristal mikrodenge (QCM) sistemi açın.

3. substrat yükleme

  1. Hızlı giriş kilidi
    1. Molibden numune tutucusuna temiz bir MgO substrat monte edin (Şekil 2a) tungsten yay kliplerini kullanarak.
    2. Hızlı giriş kilidi (FEL) üzerinde turbo pompa kapatın ve nitrojen ile FEL odası havalandırma. Oda basıncı atmosferik basınca ulaştığında FEL açın.
    3. Örnekleyici tutucu kaseti FEL 'den çıkarın ve örnek tutucuyu substrat ile kasete yükleyin.
    4. Kasedi FEL 'e geri yükleyin ve Turbo pompası tekrar açın.
    5. FEL basınç için 10-6 Torr damla bekleyin.
    6. Hızlı giriş kilitinin sıcaklığını 5 dakikalık bir süre içinde 100 °C ' ye yükseltin ve hızlı giriş kilitinde 30 dakika boyunca tutucular ile alt yüzeylerini Degas.
  2. Hızlı giriş kilidi basıncı 10-7 Torr altında olduğundan emin olun Hazırlık odasına vakum vana açmadan önce. Wobble Stick transfer mekanizmasını kullanarak tutucu hazırlama odasına aktarın, sonra 400 °C ' ye gaz verme istasyonunu yükseltir ve 5 saat boyunca Degas için izin verin.
  3. Benzin yuvasını, büyüme odasındaki numune manipülatörünün arabası transfer mekanizmasıyla aktarın. 30 dakikalık bir süre içinde 750 °C ' ye kadar substrat sıcaklığını artırın ve numunenin başka bir 30 dakika boyunca manipülatörde outgas yapmasına izin verin. cryoshroud aşırı ısınma önlemek için cryoshroud soğutma suyu açık olduğundan emin olun.
  4. Substrat sıcaklığını 150 °C ' ye bırakın Zn3n2 film büyümesi ve 330 °c için mg3n2 film büyüme kullanarak termokupi örnek sıcaklık ölçümü için numune manipülatörde.
  5. In-situ RHEED
    1. Elektron tabancası üzerindeki voltajı 15 kV 'a ayarlayın ve 1,5 için filament akımı, büyüme odası basıncı 1 x 10-7 Torr altındadır.
    2. 1 ' e kadar substrat tutucusunu döndürün) elektron tabancası, substrat ve 2) açık bir tek kristal elektron dikesasyon deseni bir ilke kristalografik ekseni boyunca hizalanır görünür.
    3. RHEED deseninin bir resmini çekin ve resmi kaydedin.
  6. Efüzyon hücresindeki deklanşöre kapatın ve nitrojen akışını durdurun. Oda basıncı 10-7 Torr altında olduğunda, yatırılan FILMIN rheed desenini ölçün.

4. metal Flux ölçümleri

  1. Mg ve Zn için standart Grup III tipi effüzyon hücrelerini veya düşük sıcaklık efüzyon hücrelerini kullanın.
  2. 15 g ve 25 g yüksek saflık mg ve Zn Shot, sırasıyla Potalar yükleyin.
  3. Büyüme odası 10-8 Torr veya daha iyi bir vakum elde ettiğinde ve substrat tutucusunu yüklemeden önce, 250 °c ' ye kadar Zn veya mg kaynak effüzyon hücrelerini ~ 20 °c/dak 'lık bir rampa hızında İNGAZ ve panjurlar kapalıyken 1 h için outgas sağlar.
  4. Substrat örnek manipülatöre yüklendikten sonra, Zn ve/veya mg effüzyon hücrelerini sırasıyla 350 °C veya 390 °C ' ye ısı, ~ 10 °C/dak 'Lık bir rampa hızında ısıtın ve panjurlar kapalıyken stabilize etmek için 10 dakika bekleyin.
  5. Metal akışını ölçmek için geri çekilebilir kuvars kristal monitörü kullanın. Kuvars Kristal sensörünü odanın içindeki substratın önünde konumlandırın. Alt substrat tamamen Dedektör tarafından kapalı olduğundan emin olun, böylece hiçbir metal substrat üzerinde yatırılır.
  6. Kuvars Crystal Monitor (QCM) kumandasının içine ilgi metalinin yoğunluğunu girin (amZn = 7,14 g/cm3,mg = 1,74 g/cm3).
  7. Flux kalibre etmek için, metal kaynaklardan biri için deklanşöre açın ve sensöre yatırmak efüzyon hücresi izin. QCM sistemi, kütlenin iç ölçümünü kalınlığa dönüştürür.
  8. QCM 'de gösterilen zamanın bir fonksiyonu olarak artan kalınlığın eğiminin Elemental akı hesaplayın. Birkaç dakika üzerinde kalınlığının artış oranı Elemental Flux ile orantılı. İki örnek durumda, 0,45 nm/s Zn Flux ve 1,0 Nm/s mg Flux elde edilir.
  9. Effüzyon hücrelerinin sıcaklığını değiştirmek ve Flux Sıcaklık bağımlılığı gerekli ise adım 4,8 tekrarlayın. Mg ve Zn akının ölçülen sıcaklık bağımlılığı, bu spesifik büyüme sistemi için Şekil 3 ' te gösterilir.
  10. Flux ölçümleri tamamlandığında, efüzyon hücrelerinde panjurları kapatın ve kuvars kristal sensörünü geri çekin.

5. azot plazma

  1. Büyüme odasında yüksek N2 gaz basıncının varlığında zarar görmesini önlemek için rheed tabanca üzerindeki filament akımı ve yüksek voltajı kapatın.
  2. Yüksek basınç N2 silindir üzerinde gaz valfi açın.
  3. Büyüme odasındaki nitrojen basıncı 3 x 10-5-4 x 10-5 Torr 'a ulaşıncaya kadar yavaşça sızıntı vanasını yavaşça açın.
  4. 300 W için plazma jeneratör gücünü ayarlayın.
  5. Plazmayı plazma kaynağında ateşleyici ile ateşlendirin. Parlak mor parlaklık, Şekil 2B'de gösterildiği gibi, plazma ateşlediğinde görünümün görünümden görünür olacaktır.
  6. Mümkün olduğunca yansıtılan gücü en aza indirmek için RF eşleştirme kutusundaki denetimi ayarlayın. Daha az 15 W yansıyan güç iyidir; Bu durumda, yansıtılan güç 12 W 'ye düşer.

6. In situ lazer ışık saçılma

  1. Odak doğranmış 488 nm argon lazer ışığı büyüme odasının substrat si fotodiyot üzerine yansıtılır, böylece bir elektrik sinyali kilit amplifikatörü tarafından tespit edilebilir. Bu, substrat tutucusunu iki eksenin etrafında çevirerek ve si dedektörünün pozisyonunu ayarlayarak, sonra da Şekil 4' te gösterildiği gibi yansıtılan ışığı toplayan lensi odaklanarak substratın açısını ayarlayarak gerçekleştirilir.
  2. Metal kaynaklardan birinin deklanşöre açın.
  3. Bilgisayar kontrollü veri günlükçüsü ile zamana bağlı yansıtıcılık kaydedin. Epitaksiyel bir filmin büyümesi, filmin ön ve arka yüzeyleri arasında ince film optik parazit ile ilişkili zaman ile bir osilör yansıyan sinyal üretecek.
  4. Havada oksidasyondan film korumak için, havada oksidasyon filmi korumak için bir kapsülleme tabakası yatırın. Bu özellikle mg3N2 için önemlidir, havada hızla oksitler.
  5. Bir MgO kapsülleme tabakası yatırmak için, nitrojen gazı kapatın, oksijen gazı geçiş, adım 5,3 tekrarlayın ve 1 x 10-5 Torr oksijen basıncını artırın.
  6. 250 W için plazma jeneratör gücünü ayarlayın ve 5,5 adım tekrarlayın. Plazma, azot gazı ile daha düşük RF güç oksijen gazı ile başlar.
  7. Mg kaynağında deklanşöre açın ve 5-10 dk için 6,4 adım yineleyin.
    Not: Bu yaklaşık 10 Nm kalınlığında bir MgO film üretecek. Unapped mg3N2 filmler sarı ama hızlı bir beyazsı renk 20 s içinde hava maruz kalma üzerine fade. Sonuç olarak, vakum odasından çıkarıldıktan sonra okside etmeden önce filmlerde ölçümler için zaman sağlamak için bir kapsülleme katmanı gereklidir.
  8. Gaz valflerini kapatın, lazeri kapatın ve substrat ve hücre sıcaklıklarına 30 dakika içinde ~ 25 °C ' ye kadar rampa yapın. soğutma suyunu ve RF gücünü plazma kaynağına çevirin.
  9. Birkaç büyüme çalıştığında, optik pencereler metal ile kaplıdır. Alüminyum folyo pencere sarma ve 400 ° c ısıtma bandı ile Isıtma ve ~ 15 °C/dk sıcaklık rampa oranı veya bir hafta sonu boyunca daha yavaş metal çıkarın.

7. büyüme oranı belirlenmesi

  1. Örnek11,19optik yansıtıcılığı açıklamak için aşağıdaki denklem 1 kullanın.
    figure-protocol-11
    Nerede:
    figure-protocol-2(1-a)
    figure-protocol-3(1-b)
    figure-protocol-4(1-c)
    figure-protocol-5(1-d)
  2. Ve nerede: n2 = 1,747 488 nm dalga boyu MgO substrat refraktif indeksi; θ0 , substrat yüzeyine göre ölçülen olay ışını açısını normal; ve t zaman. Film (n1 ve k1) ve büyüme hızı optik sabitler denklem 1 zaman bir fonksiyon olarak yansıtıcılık sığdırarak elde edilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Şekil 5B 'deki insetteki siyah nesne, yetiştirilen 200 Nm Zn3N2 ince filmin bir fotoğraftır. Benzer şekilde, Şekil 5c 'de yer alan sarı nesne, büyüyen 220 nm mg3N2 ince film 'dir. Sarı film, film10' ın arkasına yerleştirilen okunması kolay metin olduğu ölçüde şeffaftır.

Substrat ve filmlerin yüzeyi RHEE...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Noktalar çeşitli substratlar seçimi ve film yapısal ve elektronik özelliklerini optimize büyüme koşulları kurulması yer almaktadır. MgO substratlar, yüzeyden karbon kontaminasyonunu kaldırmak ve substrat yüzeyinde kristalin sırasını iyileştirmek için hava (1000 °C) yüksek sıcaklıkta ısıtılır. Aseton Ultrasonik Temizleme MgO substratlar temizlemek için iyi bir alternatif yöntemdir.

(400) Zn3N2 filmler için X-ışını kırılacak tepe, film yüksek sıcaklık üzerinde büyüdü zaman ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.

Teşekkürler

Bu çalışma Kanada Doğal Bilimler ve Mühendislik Araştırma Konseyi tarafından destekleniyordu.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
(100) MgOÜniversitesi Gofret214018bir tarafı epi-cilalı
AsetonFisher Chemical 170239%99,8
Argon lazerLexel Lazer00-137-124488 nm görünür dalga boyu, 350 mW çıkış gücü
Doğrayıcı Stanford Araştırma sistemi Frekans: 3.7 kHz 
Kilitli amplifikatör ve nbsp;Stanford Araştırma sistemi Frekans: 100 kHz 
Magnezyum UMCMG6P5%99,9999
MBE sistemiVG SemiconV80H0016-2 SHT 1V80H-10
Metanol &Alfa AesarL30U027Yarı dereceli %99,9
AzotPraxair402219501%99,998
Oksijen Linde Gazı200-14-00067> 99.9999%
Plazma kaynağıSVT AssociatesSVTA-RF-4.5PBNPBN, 0.11" Diyafram, Uzunluk Belirtin: 12" – 20"
Si fotodiyot Newport2718818-UV Geliştirilmiş, 200 - 1100 nm
Çinko Alfa Aesar7440-66-6%99,9999

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Plazma Destekli MBEMg3N2 nce FilmlerYans mal Y ksek Enerjili Elektron K r n mKuvars Kristal Monit rSubstrat Haz rlamaOptik Yans t c l k l mEpitaksiyal Film B y tmeAzot Plazma Kayna
Mg3n2 ve Zn3n2 Ince filmlerin plazma destekli moleküler ışın epitaxy büyümesi
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.