Author Produced

Mg3n2 ve Zn3n2 Ince filmlerin plazma destekli moleküler ışın epitaxy büyümesi

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.
    Equation 11
    Nerede:
    Equation 2(1-a)
    Equation 4(1-b)
    Equation 5(1-c)
    Equation 6(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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 RHEED tarafından situ olarak izleniyor. Şekil 5A substrat [110] yönü boyunca elektron ışını olayı ile çıplak bir SUBSTRAT rheed deseni gösterir. Şekil 5B'de yatırılan filmler için rheed desenleri,C göstermek bu Zn3n2 ve mg3n2 ince filmlerin kristal mandalları substrat yüzeyinin düzleminde odaklı, Epitaksiyel durumunda beklendiği gibi Büyüme. Burada kullanılan koşullar altında büyüme izleme için RHEED dezavantajı, basınç 10-7 Torr düşme ve elektron tabancası açmak için izin vermek için büyüme sürecinin durdurulması gerekir.

RHEED aksine, içinde situ optik yansıtıcılık ölçümleri odasında basınç etkilenmez. Büyüme hızını elde etmek için, Içinde situ optik yansıtıcılık Şekil 6 denklem 1kullanarak gösterilen zaman bir fonksiyon olarak uygun oldu. Bu denklemde, büyüme süresi t bağımsız değişkendir ve filmin optik sabitler (n1, k1) ve büyüme oranı uygun parametrelerdir. Şekil 6 ' da MgO substrat refraktif endeksi, insidansı açısı ve dalga boyu n2 = 1,747, θ0 = 36,5 °, ve λ = 488 Nm, sırasıyla. Filmin takılan refraktif indeksi n1 = 2,65, yok olma katsayısı k1 = 0,54 ve Şekil 6a'da gösterildiği gibi Zn3n2 ince filmi için büyüme oranı = 0,031 nm/s 'dir. Benzer şekilde, mg3n2 filmi için en uygun refraktif endeks N1 = 2,4, yok olma katsayısı k1 = 0,09 ve büyüme oranı Şekil 6B'de gösterildiği gibi = 0,033 nm/s 'dir. Şekil 6B 'de zaman ile speküler yansımadaki genel düşüş, mg3N2 ince film daha kalın hale geldiği için yüzey pürüzlülüğü saçılma artışıyla neden olduğuna inanılmaktadır. Pürüzlülük saçılımının etkisi, hesaplanmış yansımaları bir çürüyen üstel, e-βt ile çarpılarak simüle edildi, β = 810-5 s-1 ve büyüme süresi t saniyede ölçülür.

Hava maruz kaldıktan sonra, sönmüş sarı mg3N2 filmler yarı saydam beyaz renk dakikalar içinde soluk. Öte yandan, MgO ile kaplı olan mg3N2 filmleri nispeten kararlı idi. Capped mg3n2 filmleri oksidasyondan daha fazla korumak için, mg3n2/MgO heteroyapıları, elektron ışını buharlaşma ile yatırılan CaF2 katmanıyla kaplanmıştır. Unapped Zn3N2 daha kararlı; Ancak, başlangıçta siyah Zn3N2 filmler de zaman içinde okside ve birkaç ay içinde gri döndü. Oksidasyon reaksiyonu aşağıdaki kimyasal reaksiyon20göre Magnezyum hidroksit ve serbest amonyak oluşumu dahil olduğuna inanılmaktadır. MgO 'ya benzer bir yöntem kullanılarak yatırılan bir ZnO katmanı, oksidasyonu önlemek için koruyucu bir tabaka olarak da kullanılabilir.

Mg3N2 + 6h2O → 3mg (Oh)2 + 2nh3

Figure 1
Şekil 1 : VG V80H moleküler ışın epitaxy büyüme odasının görünümü. Bu resim ile MBE büyüme odası gösterir (saat yönünde) RHEED ekran ve kamera gövdesi, dört ayaklı kalıntı gaz analizörü, lazer ışık saçılma portu üzerinde optik donanım, mg effüzyon hücresi, N-plazma kaynağı, RF eşleştirme kutusu, ve Zn efüzyon hücresi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2 : Substrat tutucu ve plazma kaynağından parlaklık. (A) yerde kare MgO substrat tutan iki Tungsten Tel klip ile molibden örnek tutucu plaka. (B) N2 gaz ile çalışırken plazma kaynağının arka penceresinden kaynaklanan mor parlaklık. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. 

Figure 3
Şekil 3 : Efüzyon hücre sıcaklığının bir fonksiyonu olarak metal Flux. Çizgiler, metin içinde tartışıldığı gibi bir Arrhenius ilişkisi kullanarak metal Cereyanlar Sıcaklık bağımlılığı için uygundur. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4 : In-situ lazer ışık saçılma kurulumunun şematik. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5 : Rheed desenleri. (A) MgO substrat için rheed dikesasyon deseni. (B) siyah Zn3n2 filmin fotoğrafı ile yetiştirilen Zn3n2 filmin rheed deseni. (C) sarı mg3n2 film fotoğraf ile büyüyen mg3n2 substrat rheed deseni. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6 : İçinde situ speküler yansıtıcılık. Içinde situ speküler yansıtıcılık 488 Nm (A) Zn3n2 ve (B) mg3n2 film büyüme sırasında. Hesaplanan yansıtıcılık (kırmızı çizgi), metinde anlatıldığı gibi deneysel verilere (mavi daireler) en uygun şekilde kullanılır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 dar olarak bulundu, tavlanmış MgO substratlar ne zaman unannealed substratlar üzerinde yetiştirilen kıyasla. MgO (0,421 nm) kafes sabiti Zn3n2 (0,976 Nm) veya mg3n2 (0,995 Nm) kafes sabiti (yarısı) ' dan önemli ölçüde küçüktür ve yarı iletken filmlere iyi uyumlu değildir. Ticari olarak kullanılabilir gruplar IV, III-V ve II-VI Substratlar kafes sabitler mg3n2 ve Zn3n2kafes sabitler daha büyüktür. Daha iyi uyumlu bir substrat arzu edilir. 0,543 Nm bir kafes sabit olan silikon, biraz daha iyi mg3N2 MgO daha eşleştirilir ve keşfedilmek için değerdir. Zn3N2 filmler de bir düzlem Safir yüzeylerde büyüdü. Bu filmlerin yapısal kalitesi, MgO substratlar içinde görüldüğü gibi, RHEED lekeleri ve (400) Zn3N2 X-ışını kırıdası zirvesinde genişliği ile gösterilen kadar iyi değildi. Safir substratlar durumunda, arka yüzey tutucu ve substrat arasında termal bağlantı geliştirmek için CR (50 Nm) ve Mo (200 Nm) ile kaplanmıştır.

Substrat sıcaklığı, substrat tutucu ve ısıtıcı arasındaki kapalı vakum alanında bulunan bir termoçifti ile büyüme sırasında ölçülür ve substrat tutucu veya substrat ile fiziksel temas değildir. Sonuç olarak, gerçek substrat sıcaklığının sensör sıcaklığından daha düşük olması beklenmektedir. 300-350 °C ve 140-180 °C aralığında termoçift sıcaklıklarda başarılı mg3n2 ve Zn3n2 büyümeleri elde edildi.

Yüksek büyüme sıcaklığı, büyüyen yüzeyde reklam atomlarının mobilitesini arttırır ve daha az yapısal kusurla malzeme üretilmesi beklenir. Ancak, yüksek substrat sıcaklıklarında, büyüme oranı düşük, hangi yüzeyden metal atomların yeniden buharlaşma nedeniyle olarak yorumlanır. Yüksek metal Flux, film büyüme oranı aktif azot temini ile sınırlıdır. Aktif nitrojen, plazma kaynağına uygulanan yüksek RF güce (300 W maks.) ve yüksek azot debisi ile maksimize edilir. N2 debisi, bu durumda orta 10-5 Torr aralığında olduğu büyüme odasında maksimum basınç ile sınırlıdır. Amonyak olası bir alternatif azot kaynağıdır. Mg ve Zn, plazma aktivasyonu olmadan yüksek sıcaklıkta NH3 ile reaksiyon gösterecektir; Ancak, yüzeyde mg ve Zn atomlarının ikamet süresi, NH3 metallerle reaksiyon göstereceği sıcaklıklarda film büyümesini destekleyecek kadar uzun olacaktır.

Bu deneylerde, mg için 40 CC ve Zn için 25 cc kapasiteleriyle pirolitik bor nitrür (PBN) Potalar ile effüzyon hücreleri kullanılmıştır. Şekil 3 , mg ve Zn fluxların efüzyon hücrelerinden sıcaklık bağımlılığını gösterir. Şekil 3 ' teki düz çizgiler, fluxların ölçülen sıcaklık bağımlılığına uygundur. Uyum formu Flux = a exp (-b/kt)ve uygun parametreler (a, B) vardır (8,5 x 1017 nm/s, 2,3 ev) ve (1,3 x 1015 nm/s, 1,9 ev) mg ve Zn kaynakları için, sırasıyla. Akı, sırasıyla mg ve Zn için efüzyon hücre sıcaklığında 10 °C ve 12 °C artışla yaklaşık olarak iki katına çıkar. Şekil 6' da gösterilen büyüme için, metal Fluxlar Şekil 3 ' te Maxima 'Ya yakınlardı (Zn Flux 'dan daha yüksek mg Flux ile ~ 1 Nm/s) ama film büyüme oranları sadece 0,03 nm/s idi. Bu metal kullanım verimliliği düşük olduğunu gösterir, mg Zn daha düşük olmak ve metal yeniden Buharlık çoğu.

Yüksek N2 büyüme sırasında arka plan basıncı rheed ile film büyüme sürekli izlenmesi önler. RHEED silah diferansiyel pompalama Bu sorunu çözebilir. In situ optik yansıtıcılık ölçümleri, gaz basıncından etkilenmez ve büyüme hızını belirlemek için doğru ve güvenilir bir teknik sağlayan tamamlayıcı bir izleme aracı olarak hizmet vermektedir. Substrat olmayan speküler veya diffik yansıtıcılık da situ olarak ölçülebilir ve büyüme sırasında yüzey pürüzlülük hakkında bilgi verecektir.

MBE büyüme odasındaki temel basınç, N2 gazı kapalıyken 10-8 Torr 'dir. Büyüme odasındaki cryoshroud film büyümesi sırasında suyla soğutulur. Bu şartlar altında, filmlerde bazı oksijen kirliliği beklenebilir. Büyüme odasında kalan su buharı basıncı,-80 °C21' de silikon yağı gibi, kefenin daha düşük sıcaklık sıvısı ile azaltılabilir.

Sonuç olarak, bu protokol, plazma destekli moleküler ışın epitaxy tarafından mg3n2 ve Zn3n2 tek kristal filmler büyümek nasıl açıklar ve büyüme sürecinin daha fazla film geliştirmek için nasıl değiştirileceği için öneriler sağlar Kalite. Bu materyaller, oda sıcaklığında ya da düşük sıcaklıkta fotoluminesans göstermiyor. Filmlerde kusur yoğunluğunu daha da azaltmak için bir ihtiyaç vardır. Mg3n2-Zn3n2 alaşımlar da plazma destekli moleküler ışın epitaxy tarafından yetiştirilen olabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.

Acknowledgments

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

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%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics