Author Produced

Plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en Zn3n2 dunne films

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

Dit artikel beschrijft de groei van epitaxiale films van mg3n2 en Zn3n2 op MgO substraten door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy met N2 gas als de stikstofbron en optische groei monitoring.

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

Dit artikel beschrijft een procedure voor het kweken van mg3n2 en Zn3n2 films door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy (MBE). De films worden geteeld op 100 georiënteerde MgO substraten met N2 gas als stikstofbron. De methode voor de voorbereiding van de substraten en het groeiproces van de MBE worden beschreven. De oriëntatie en de kristallijne volgorde van het substraat en het film oppervlak worden gecontroleerd door de reflectie hoge energie elektron diffractie (RHEED) voor en tijdens de groei. De spiegelende reflectiviteit van het monster oppervlak wordt gemeten tijdens de groei met een AR-Ion laser met een golflengte van 488 nm. Door de tijdafhankelijkheid van de reflectiviteit aan een wiskundig model te monteren, worden de brekingsindex, de extinctiecoëfficiënt en de groeisnelheid van de film bepaald. De metalen fluxen worden onafhankelijk gemeten als functie van de effusieceltemperaturen met behulp van een kwartskristal monitor. Typische groeisnelheden zijn 0,028 nm/s bij een groei temperatuur van 150 °C en 330 °C voor respectievelijk mg3n2 en Zn3n2 films.

Introduction

De II3-v2 materialen zijn een klasse van halfgeleiders die relatief weinig aandacht hebben gekregen van de Semiconductor Research Community in vergelijking met III-v en II-VI halfgeleiders1. De mg en Zn nitrides, mg3n2 en Zn3n2, zijn aantrekkelijk voor consumententoepassingen omdat ze zijn samengesteld uit overvloedige en niet-toxische elementen, waardoor ze goedkoop en gemakkelijk te recyclen zijn, in tegenstelling tot de meeste III-V en II-VI samengestelde halfgeleiders. Ze vertonen een anti-bixbyite kristalstructuur vergelijkbaar met de CaF2 structuur, met een van de interpenetrerende FCC F-sublattices wordt half bezet2,3,4,5. Ze zijn beide direct band gap materialen6, waardoor ze geschikt zijn voor optische toepassingen7,8,9. De band gap van mg3n2 bevindt zich in het zichtbare spectrum (2,5 EV)10, en de band gap van Zn3n2 bevindt zich in de nabije-infrarood (1,25 EV)11. Om de fysische eigenschappen van deze materialen en hun potentieel voor elektronische en optische apparaattoepassingen te verkennen, is het van cruciaal belang om hoge kwaliteit, enkele kristallen films te verkrijgen. Het meeste werk aan deze materialen is tot nu toe uitgevoerd op poeders of polykristallijne films gemaakt door reactieve sputteren12,13,14,15,16, 17.

Moleculaire straal epitaxy (MBE) is een goed ontwikkelde en veelzijdige methode voor het kweken van single-Crystal samengestelde halfgeleider films18 die het potentieel heeft om hoogwaardige materialen te leveren met behulp van een schone omgeving en hoogwaardige elementaire bronnen. Ondertussen maakt MBE Rapid Shutter-actie wijzigingen in een film op de schaal van atomaire lagen mogelijk en zorgt voor nauwkeurige dikte regeling. Dit papier rapporteert over de groei van mg3n2 en Zn3n2 epitaxiale films op MgO SUBSTRATEN door plasma-geassisteerde MBE, met behulp van hoge zuiverheid Zn en mg als damp bronnen en N2 gas als de stikstofbron.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. MgO substraat voorbereiding

Opmerking: commerciële one-side epi-gepolijst (100) georiënteerde single Crystal MgO vierkante substraten (1 cm x 1 cm) werden gebruikt voor de X3N2 (x = Zn en mg) dunne film groei.

  1. Hoge temperatuur gloeien
    1. Plaats de MgO op een schone saffier wafer monster drager met de gepolijste zijde naar boven in een oven en anneal voor 9 uur bij 1.000 °C. Verhoog de temperatuur tot 1000 °C gedurende een periode van 10 minuten.
      Opmerking: bij hoge temperatuur gloeien wordt koolstof uit het oppervlak verwijderd en wordt de oppervlakte kristalstructuur van de MgO-enkelvoudige kristallen substraten geherstructureer.
    2. Koel de MgO-substraten af op de kamertemperatuur (RT).
  2. Substraat reiniging
    1. Verzamel de gegloeide MgO-substraten en spoel ze af in gedeïoniseerd water in een schoon bekerglas van borosilicaat.
    2. Kook de MgO-substraten gedurende 30 minuten in 100 mL aceton in een bekerglas van 250 mL borosilicaat om anorganische koolstof verontreiniging te verwijderen.
      Opmerking: bedek het bekerglas en laat de aceton niet droog koken.
    3. Giet de aceton af en spoel de MgO-substraten af in 50 mL methanol.
    4. Blaas de ondergronden op met stikstofgas en bewaar de droge, schone ondergronden in de schone spaanplaat.

2. werking van VG V80 MBE

  1. Open het koelwater voor de bereidings kamer, cryoshroud op de groei kamer (Zie Figuur 1), effusie cellen en kwartskristal microbalans sensor.
  2. Schakel de AR-Ion laser in met een golflengte van 488 nm. Het laserlicht wordt naar de MBE kamer gebracht met een optische vezel van de laser, die zich in een andere ruimte bevindt.
  3. Schakel de reflectie High Energy Electron diffractie Gun (RHEED), 13,56 MHz Radio Frequency (RF) plasma generator, en Quartz Crystal micro Balance (QCM)-systeem.

3. ondergrond laden

  1. Snelle toegangs vergrendeling
    1. Monteer een clean MgO-substraat op de molybdeen-monsterhouder (Figuur 2a) met behulp van Tungsten Spring clips.
    2. Zet de Turbo pomp uit op de Fast Entry Lock (FEL) en ventilatie de FEL kamer met stikstof. Open de FEL wanneer de druk van de kamer de atmosferische druk bereikt.
    3. Verwijder de cassette houder uit de FEL en laad de monsterhouder met het substraat in de cassette.
    4. Plaats de cassette terug in de FEL en draai de Turbo pomp weer aan.
    5. Wacht tot de druk in de FEL daalt tot 10-6 Torr.
    6. Verhoog de temperatuur van het sneltoegangs slot tot 100 °C gedurende een periode van 5 min en Degas de substraten met de houders gedurende 30 minuten in het snelle toegangs slot.
  2. Zorg ervoor dat de druk in de snelle toegangs vergrendeling lager is dan 10-7 Torr voordat u de vacuümklep in de bereidings kamer opent. Breng de houder met behulp van de wiebelen stick Transfer mechanisme naar de bereidings kamer, vervolgens de oprit van het ontgassings station tot 400 ° c en laat het Degas voor 5 h.
  3. Breng de ontgast houder door de trolley Transfer mechanisme naar de monster manipulator in de groei kamer. Verhoog de substraat temperatuur tot 750 °C over een periode van 30 min en laat het monster in de manipulator nog eens 30 minuten outga's. Zorg ervoor dat het koelwater is ingeschakeld in de cryoshroud om oververhitting van de cryoshroud te voorkomen.
  4. Laat de temperatuur van het substraat dalen tot 150 °C voor Zn3n2 film groei en 330 °c voor mg3n2 film groei met behulp van het thermokoppel in de monster manipulator om de monstertemperatuur te meten.
  5. In-situ RHEED
    1. Stel de spanning op het elektronen pistool in op 15 kV en filament stroom tot 1,5 A zodra de druk van de groei kamer lager is dan 1 x 10-7 Torr.
    2. Draai de substraat houder tot 1) het elektronen pistool wordt uitgelijnd langs een principe kristallografische as van de ondergrond en 2) een helder enkelvoudig kristal elektronen diffractie patroon is zichtbaar.
    3. Maak een foto van het reed patroon en sla de foto op.
  6. Sluit de sluiter op de effusie-cel en stop de stroom van stikstof. Meet het RHEED patroon voor de gestorte film wanneer de kamer druklager is dan 10-7 Torr.

4. metaal flux metingen

  1. Gebruik standaardgroep III-type effusie cellen of lage temperatuur effusie cellen voor mg en Zn.
  2. Laad de kroezen met respectievelijk 15 g en 25 g hoge zuiverheid mg en Zn schot.
  3. Wanneer de groei kamer een vacuüm van 10-8 Torr of beter heeft bereikt, en voor het laden van de substraat houder, Uitgassen de Zn of mg bron effusie cellen tot 250 ° c bij een helling van ~ 20 °c/min en laat het te Uitgassen voor 1 h met de luiken gesloten.
  4. Nadat het substraat in de monster manipulator is geladen, Verwarm de Zn en/of mg effusie cellen respectievelijk tot 350 °C of 390 °C, bij een helling van ~ 10 °C/min, en wacht 10 min om te stabiliseren met de gesloten luiken.
  5. Gebruik de intrekbare Quartz Crystal monitor om de metalen flux te meten. Plaats de kwartskristal sensor voor het substraat in de kamer. Zorg ervoor dat de ondergrond volledig bedekt is door de detector zodat er geen metaal op de ondergrond wordt afgezet.
  6. Voer de dichtheid van het metaal van belang in (pZn = 7,14 g/cm3, p = 1,74 g/cm3) in de controller van de Quartz Crystal monitor (QCM).
  7. Om de flux te kalibreren, open je de sluiter voor een van de metaal bronnen en laat je de effusie-cel op de sensor storten. Het QCM-systeem converteert de interne meting van massa naar dikte.
  8. Bereken de elementaire flux van de helling van de stijgende dikte als een functie van de tijd die wordt weergegeven op de QCM. De snelheid van de verhoging van de dikte over een paar minuten is evenredig met de elementale flux. In twee voorbeeld gevallen wordt een Zn-flux van 0,45 nm/s en een mg-flux van 1,0 nm/s verkregen.
  9. Verander de temperatuur van de effusie cellen en herhaal stap 4,8 als de temperatuurafhankelijkheid van de flux vereist is. De gemeten temperatuurafhankelijkheid van de mg-en Zn-flux wordt weergegeven in Figuur 3 voor dit specifieke groei systeem.
  10. Wanneer de flux metingen voltooid zijn, sluit de luiken op de effusie cellen en trek de kwartskristal sensor terug.

5. stikstof plasma

  1. Schakel de filament stroom en hoogspanning op het RHEED pistool uit om schade te voorkomen in de aanwezigheid van een hoge N2 gasdruk in de groei kamer.
  2. Open de gasklep op de hoge druk N2 cilinder.
  3. Open langzaam de lekklep totdat de stikstof druk in de groei kamer 3 x 10-5-4 x 10-5 Torr bereikt.
  4. Stel het vermogen van de plasma generator in op 300 W.
  5. Ontsteek het plasma met de ontsteker op de plasmabron. Een helder paarse gloed zal zichtbaar zijn vanaf de viewport wanneer het plasma ontsteekt, zoals weergegeven in Figuur 2b.
  6. Pas het besturingselement op de RF-overeenkomende doos aan om het gereflecteerde vermogen zoveel mogelijk te minimaliseren. Een gereflecteerde kracht van minder dan 15 W is goed; in dit geval wordt het gereflecteerde vermogen teruggebracht tot 12 W.

6. in situ laserlichtverstrooiing

  1. Concentreer het fijngehakte 488 nm argon laserlicht van het substraat in de groei kamer op de si-fotodiode, zodat een elektrisch signaal kan worden gedetecteerd door de lock-in versterker. Dit wordt bereikt door de hoek van het substraat aan te passen door de substraat houder rond twee assen te draaien en de positie van de si-detector aan te passen, en vervolgens de lens te focussen die het gereflecteerde licht verzamelt zoals weergegeven in Figuur 4.
  2. Open de sluiter van een van de metaal bronnen.
  3. Noteer de tijdafhankelijke reflectiviteit met een computergestuurde datalogger. De groei van een epitaxiale film zal een oscillerend reflecterend signaal produceren met tijd in verband met dunne film optische interferentie tussen de voor-en achtervlakken van de film.
  4. Om de film te beschermen tegen oxidatie in de lucht, stort een inkapings laag om de film te beschermen tegen oxidatie in de lucht. Dit is vooral belangrijk voor mg3N2 die snel oxiderende in de lucht.
  5. Om een MgO inkapseling Layer te storten, sluit u het stikstof gas, schakelt u over naar zuurstofgas, herhaalt u stap 5,3 en verhoogt u de zuurstofdruk tot 1 x 10-5 Torr.
  6. Stel het vermogen van de plasma generator in op 250 W en herhaal stap 5,5. Het plasma begint bij lagere RF-kracht met zuurstof gas dan met stikstofgas.
  7. Open de sluiter op de mg-bron en herhaal stap 6,4 voor 5-10 min.
    Let op: dit zal een MgO film produceren die ongeveer 10 nm dik is. De niet afgetopte mg3N2 films zijn geel maar vervagen snel tot een witachtige kleur binnen 20 s bij blootstelling aan lucht. Daarom is een inkapings laag vereist om tijd te geven voor metingen op de films voordat ze oxideren na verwijdering uit de vacuümkamer.
  8. Sluit de gaskleppen, zet de laser uit en draai de ondergrond en de celtemperaturen naar beneden tot ongeveer 25 °C in 30 min. Schakel het koelwater en het RF-vermogen uit naar de plasmabron.
  9. Na een aantal groei runs worden de optische Vensters bedekt met metaal. Verwijder het metaal door het venster in aluminiumfolie te wikkelen en het te verwarmen met verwarmings tape tot 400 °C en een temperatuur helling van ~ 15 °C/min of langzamer in de loop van een weekend.

7. bepaling van de groeisnelheid

  1. Gebruik vergelijking 1 hieronder om de optische reflectiviteit van het monster te beschrijven11,19.
    Equation 11
    Waar:
    Equation 2(1-a)
    Equation 4(1-b)
    Equation 5(1-c)
    Equation 6(1-d)
  2. En waar: n2 = 1,747 is de brekingsindex van het MgO-substraat bij een golflengte van 488 nm; θ0 is de hoek van de incident straal gemeten met betrekking tot het substraat oppervlak normaal; en t is tijd. De optische constanten van de film (n1 en k1) en de groeisnelheid worden verkregen door de reflectiviteit als functie van de tijd in vergelijking 1 te monteren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het zwarte voorwerp in de inzet in Figuur 5b is een foto van een as-grown 200 nm Zn3N2 dunne film. Evenzo is het gele object in de inzet in Fig. 5c een as-grown 220 nm mg3N2 dunne film. De gele film is transparant voor zover het gemakkelijk te lezen tekst achter de film10geplaatst is.

Het oppervlak van het substraat en de films werden in situ bewaakt door reed. Figuur 5a toont het rheed patroon van een kale ondergrond met het elektronenstraal incident langs de [110] richting van de ondergrond. Rheed patronen voor de gestorte films in Figuur 5b,C tonen aan dat de kristallen roosters van de Zn3n2 en mg3n2 dunne films zijn georiënteerd in het vlak van het substraat oppervlak, zoals verwacht in het geval van epitaxiaal Groei. Het nadeel van RHEED voor groei monitoring onder de hier gebruikte omstandigheden is dat het groeiproces moet worden stopgezet om de druk te laten dalen tot 10-7 Torr en het elektron pistool aan te zetten.

In tegenstelling met RHEED worden in situ optische reflectiviteit metingen niet beïnvloed door druk in de kamer. Om de groeisnelheid te verkrijgen, was in situ optische reflectie geschikt als functie van de tijd weergegeven in Figuur 6 met behulp van vergelijking 1. In deze vergelijking is groeitijd t de onafhankelijke variabele, en de optische constanten van de film (n1, k1) en groeisnelheid zijn passende parameters. In Figuur 6 zijn de brekingsindex van het MgO-substraat, de hoek van de incidentie en de golflengte n2 = 1,747, θ0 = 36,5 ° en λ = 488 nm, respectievelijk. De inbouw brekingsindex van de film is n1 = 2,65, de extinctiecoëfficiënt is k1 = 0,54, en de groeisnelheid is = 0,031 nm/s voor de Zn3n2 dunne film zoals afgebeeld in Figuur 6a. Evenzo is de beste pasvorm brekingsindex voor de mg3N2 film N1 = 2,4, extinctiecoëfficiënt is k1 = 0,09, en de groeisnelheid is = 0,033 nm/s zoals weergegeven in Figuur 6b. De algehele afname van de spiegelende reflectie met de tijd in Figuur 6b wordt verondersteld te worden veroorzaakt door een toename van oppervlakteruwheid verstrooiing als de mg3N2 dunne film dikker wordt. Het effect van de ruwheid verstrooiing werd gesimuleerd door vermenigvuldiging van de berekende reflectiviteit met een rottende exponentiële, e-βt, waarbij β = 810-5 s-1 en de groeitijd t is gemeten in seconden.

Bij blootstelling aan lucht vervaagde de niet afgetopte gele mg3N2 films binnen enkele minuten tot een doorschijnende witte kleur. Aan de andere kant waren de mg3N2 films die werden afgedekt met MgO relatief stabiel. Om verder te beschermen de afgetopte mg3n2 films van oxidatie, de mg3n2/MgO halfgeleiderheterostructuren werden bekleed met een CaF2 laag afgezet door elektronenstraal verdamping. Niet afgetopte Zn3N2 is stabieler; echter, de aanvankelijk zwarte Zn3N2 films ook geoxideerd na verloop van tijd en bleek grijs binnen een paar maanden. De oxidatiereactie wordt verondersteld de vorming van magnesiumhydroxide te betrekken en ammoniak vrij te maken volgens de volgende chemische reactie20. Een ZnO-laag afgezet met een soortgelijke methode voor de MgO kan ook worden gebruikt als beschermende laag om oxidatie te voorkomen.

Mg3N2 + 6H2O → 3mg (Oh)2 + 2NH3

Figure 1
Figuur 1 : Weergave van de VG V80H moleculaire straal epitaxy groei kamer. Deze foto toont de MBE groei kamer met (met de klok mee) het rheed scherm en de camerabehuizing, quadrupool residuele gasanalyzer, optische hardware op laserlicht verstrooiing poort, mg effusie cel, N-plasmabron, RF matching box, en de Zn effusie cel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2 : Substraat houder en gloed uit de plasmabron. A) molybdeen monsterhouder plaat met twee wolfraam draad klemmen die het vierkante MgO substraat op zijn plaats houden. B) paarse gloed afkomstig van de achterruit van de plasmabron bij gebruik van N2 gas. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. 

Figure 3
Figuur 3 : Metaal flux als functie van de temperatuur van de effusie cellen. De lijnen zijn geschikt voor de temperatuurafhankelijkheid van de metalen fluxen met behulp van een Arrhenius-relatie zoals besproken in de tekst. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4 : Schematische voorstelling van de in-situ Laser lichtverstrooiing Setup. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5 : Rheed patronen. A) diffractie patroon voor MgO-substraat. B) rheed patroon van as-grown Zn3n2 film met foto van zwarte Zn3n2 film. C) rheed patroon van as-grown mg3n2 substraat met foto van gele mg3n2 film. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6 : In situ spiegelende reflectiviteit. In situ spiegelende reflectiviteit bij 488 nm van (a) Zn3n2 en (B) mg3n2 films tijdens de groei. De berekende reflectiviteit (rode lijn) is het best geschikt voor de experimentele gegevens (blauwe cirkels) zoals besproken in de tekst. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Een verscheidenheid aan overwegingen is betrokken bij de keuze van substraten en het vaststellen van de groeiomstandigheden die de structurele en elektronische eigenschappen van de films optimaliseren. De MgO-substraten worden verhit bij hoge temperatuur in de lucht (1000 °C) om koolstof verontreiniging van het oppervlak te verwijderen en de kristallijne volgorde in het substraat oppervlak te verbeteren. Ultrasone reiniging in aceton is een goede alternatieve methode om de MgO-substraten te reinigen.

De (400) X-Ray diffractie piek voor de Zn3N2 films bleek smaller te zijn toen de film werd geteeld op hoge temperatuur, gegloeide MgO substraten vergeleken met wanneer geteeld op ongegloeide substraten. De rooster constante van MgO (0,421 nm) is significant kleiner dan (de helft van) de rooster constante van Zn3n2 (0,976 nm) of mg3n2 (0,995 nm) en niet goed afgestemd op de halfgeleider folies. De rooster-constanten van de in de handel verkrijgbare groepen IV, III-V en II-VI zijn allemaal groter dan de rooster-constanten van mg3n2 en Zn3n2. Een meer goed afgestemde ondergrond is wenselijk. Silicium, dat een rooster constante van 0,543 nm heeft, is iets meer goed afgestemd op mg3N2 dan MgO en is de moeite waard om verkend te worden. Zn3N2 films werden ook geteeld op A-Plane Sapphire substraten. De structurele kwaliteit van deze films was niet zo goed als die gezien in de MgO substraten, zoals aangegeven door de RHEED spots en breedte van de (400) Zn3N2 X-Ray diffractie piek. In het geval van de saffier substraten werd de achterzijde bekleed met CR (50 nm) en mo (200 nm) om de thermische koppeling tussen de substraat houder en de ondergrond te verbeteren.

De substraat temperatuur wordt gemeten tijdens de groei met een thermokoppel in de ingesloten vacuüm ruimte tussen de substraat houder en de kachel, en is niet fysiek in contact met de substraat houder of de ondergrond. Als gevolg hiervan werd verwacht dat de eigenlijke substraat temperatuur lager zou zijn dan de temperatuur van de sensor. Succesvolle mg3n2 en Zn3n2 gezwellen werden verkregen met thermokoppel temperaturen in de 300-350 ° c en 140-180 ° c bereiken, respectievelijk.

Hoge groei temperatuur verhoogt de mobiliteit van de AD-atomen op het groei oppervlak en kan worden verwacht materiaal te produceren met minder structurele defecten. Bij hoge substraat temperaturen is de groeisnelheid echter lager, wat wordt geïnterpreteerd als gevolg van herverdamping van metaalatomen van het oppervlak. Bij hoge metalen flux wordt de film groei beperkt door de toevoer van actieve stikstof. De actieve stikstof wordt gemaximaliseerd bij hoog RF-vermogen toegepast op de plasmabron (300 W Max) en bij een hoge stikstofstroom. De N2 debiet wordt beperkt door de maximale druk in de groei kamer, die in dit geval was in het midden 10-5 Torr bereik. Ammoniak is een mogelijke alternatieve stikstofbron. Mg en Zn reageren met NH3 op een hoge temperatuur zonder plasma activering; het is echter onduidelijk of de verblijfstijd van mg-en Zn-atomen op het oppervlak lang genoeg zal zijn om de film groei te ondersteunen bij temperaturen waarvoor NH3 met de metalen zal reageren.

In deze experimenten werden effusie cellen gebruikt met pyrolytische boornitride (PBN) kroezen met capaciteiten van 40 CC voor mg en 25 CC voor Zn. Figuur 3 toont de temperatuurafhankelijkheid van de mg-en Zn-fluxen uit de effusie cellen. De rechte lijnen in Figuur 3 zijn geschikt voor de gemeten temperatuurafhankelijkheid van de fluxen. De passingen hebben de vorm flux = A exp (-B/kt), en de fitting parameters (A, B) zijn (8,5 x 1017 nm/s, 2,3 ev) en (1,3 x 1015 nm/s, 1,9 EV) voor respectievelijk de mg en Zn bronnen. De flux verdubbelt ongeveer met elke 10 °C en 12 °C toename van de effusie celtemperatuur voor respectievelijk mg en Zn. Voor de groei geïllustreerd in Figuur 6waren de metalen fluxen in de buurt van de maxima in Figuur 3 (~ 1 nm/s met mg flux hoger dan Zn flux), maar de film groeipercentages waren slechts 0,03 nm/s. Dit toont aan dat de efficiëntie van het metaal gebruik laag is, waarbij mg lager is dan Zn en het grootste deel van het metaal opnieuw verdampend.

De hoge N2 achtergrond druk tijdens de groei verzet zich tegen continue monitoring van de film groei met rheed. Differentieel pompen van het RHEED pistool kan dit probleem oplossen. In situ optische reflectiviteit metingen dienen als een aanvullend bewakings instrument dat niet wordt beïnvloed door gasdruk en biedt een nauwkeurige en betrouwbare techniek voor het bepalen van de groeisnelheid. De niet-spiegelende of diffuse reflectie van het substraat kan ook in situ worden gemeten en geeft informatie over oppervlakteruwheid tijdens de groei.

De basis druk in de MBE groei kamer is 10-8 Torr met de N2 gas uitgeschakeld. De cryoshroud in de groei kamer wordt gekoeld met water tijdens de film groei. Onder deze omstandigheden kan in de films enige residuele zuurstof besmetting worden verwacht. De rest waterdampdruk in de groei kamer kan worden gereduceerd met een lager temperatuur koelmiddel in de behuizing, zoals siliconenolie bij-80 °C21.

Tot slot wordt in dit protocol beschreven hoe u enkele kristallen films van mg3n2 en Zn3n2 laten groeien door een plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy en geeft suggesties voor hoe het groeiproces kan worden gewijzigd om de film verder te verbeteren Kwaliteit. Deze materialen vertonen geen fotoluminescentie bij kamertemperatuur of een lage temperatuur. De dichtheid van het defect in de films moet verder worden verlaagd. Mg3n2-Zn3n2 legeringen kunnen ook worden geteeld door plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de natuurwetenschappen en ingenieurs Onderzoekraad van Canada.

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