Plasma-geassisteerde moleculaire straal epitaxy groei van mg3n2 en Zn3n2 dunne films
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.
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.
Protocol
Representative Results
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.
<p class="jove_…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de natuurwetenschappen en ingenieurs Onderzoekraad van Canada.
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).
