البلازما بمساعدة شعاع الجزيئية Epitaxy النمو من ملغ3N2 والزنك3N2 أفلام رقيقة
Summary
يصف هذا مادة الحالة نموّ من أفلام إبيتاكسيّ من [مغ]3[ن]2 و [زن]3[ن]2 على [مغو] ركائز ب [بلازما-كنّد] شعاع جزيئيّة [إبيإكسي] مع [ن]2 غاز كالنيتروجين مصدر وبصريّة حالة نموّ رصد.
Abstract
يصف هذا مادة إجراء ل ينمو [مغ]3[ن]2 و [زن]3[ن]2 أفلام ب [بلازما-كنّد] شعاع جزيئيّة [إبيإكسي] ([مب]). وتزرع الأفلام على 100 الموجهة MgO ركائز مع الغاز N2 كمصدر النيتروجين. يتم وصف طريقة إعداد الركائز وعملية نمو MBE. يتم رصد التوجه والنظام البلورية للطبقة والأسطح الفيلم من قبل انعكاس انعراج الإلكترون عالية الطاقة (RHEED) قبل وأثناء النمو. يتم قياس انعكاسية الطيفية لسطح العينة أثناء النمو مع ليزر أيون مع الطول الموجي من 488 نانومتر. من خلال تركيب الاعتماد على الوقت من انعكاسية لنموذج رياضي، يتم تحديد مؤشر الانكسار، ومعامل الانقراض البصري، ومعدل نمو الفيلم. يتم قياس التدفقات المعدنية بشكل مستقل كدالة لدرجات حرارة خلية الانصباب باستخدام شاشة كريستال الكوارتز. معدلات النمو النموذجية هي 0.028 نانومتر / ث في درجات حرارة النمو من 150 درجة مئوية و 330 درجة مئوية لملغ3N2 والزنك3N2 الأفلام، على التوالي.
Introduction
الموادII 3-V2 هي فئة من أشباه الموصلات التي تلقت القليل نسبيا من الاهتمام من مجتمع بحوث أشباه الموصلات مقارنة مع أشباه الموصلات III-V و II-VI1. وملغ والزنك نيتريدس، ملغ3N2 والزنك3N2،هي جذابة لتطبيقات المستهلك لأنها تتألف من عناصر وفيرة وغير سامة، مما يجعلها غير مكلفة وسهلة لإعادة تدوير على عكس معظم III-V و II-VI أشباه الموصلات المركبة. أنها تعرض هيكل الكريستال المضادة للبيكسبيت مماثلة لهيكل CaF 2، مع واحدة من شبكة الاتصالات الفدرالية المتشابكة F-sublattices يجري نصف المحتلة2،3،4،5. كلاهما مباشرة الموادالفجوة الفرقة 6، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البصرية7،8،9. الفجوة الفرقة من ملغ3N2 في الطيف المرئي (2.5 eV)10، والفجوة الفرقة من الزنك3N2 في الأشعة تحت الحمراء القريبة (1.25 eV)11. لاستكشاف الخصائص الفيزيائية لهذه المواد وإمكاناتها لتطبيقات الأجهزة الإلكترونية والبصرية، من المهم الحصول على أفلام الكريستال ذات جودة عالية وواحدة. وقد تم تنفيذ معظم الأعمال على هذه المواد حتى الآن على مساحيق أو أفلام متعددة البلورات التي أدلى بها رد الفعل التأتأة12،13،14،15،16، 17.
الشعاع الجزيئي epitaxy (MBE) هو طريقة متطورة ومتعددة الاستخدامات لزراعة أفلام أشباه الموصلات المركبة أحادية الكريستال18 التي لديها القدرة على إنتاج مواد ذات جودة عالية باستخدام بيئة نظيفة ومصادر عنصرية عالية النقاء. وفي الوقت نفسه، يتيح عمل الغالق السريع MBE تغييرات في فيلم على مقياس الطبقة الذرية ويسمح بالتحكم الدقيق في سمك. هذه الورقة تقارير عن نمو ملغ3N2 والزنك3N2 الأفلام الظهارية على ركائز MgO من قبل MBE بمساعدة البلازما، وذلك باستخدام عالية النقاء الزنك وملغ كمصادر بخار وN2 الغاز كمصدر النيتروجين.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشارك مجموعة متنوعة من الاعتبارات في اختيار ركائز وتحديد ظروف النمو التي تحسن الخصائص الهيكلية والإلكترونية للأفلام. يتم تسخين ركائز MgO في درجة حرارة عالية في الهواء (1000 درجة مئوية) لإزالة تلوث الكربون من السطح وتحسين النظام البلورية في سطح الركيزة. التنظيف بالموجات فوق الصوتية في الأسي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل مجلس البحوث الطبيعية والهندسية في كندا.
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
- 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. , 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).
