Plasmaunterstütztes MolekularstrahlepitaxieWachstum von Mg3N2 und Zn3N2 Dünnschichten
Summary
Dieser Artikel beschreibt das Wachstum von epitaxialen Filmen von Mg3N2 und Zn3N2 auf MgO-Substraten durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxietaxiemit n2 Gas als Stickstoffquelle und optische Wachstumsüberwachung.
Abstract
Dieser Artikel beschreibt ein Verfahren zum Anbau von Mg3N2 und Zn3N2-Filmen durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxietaxi (MBE). Die Folien werden auf 100 orientierten MgO-Substraten mit N2-Gas als Stickstoffquelle angebaut. Die Methode zur Herstellung der Substrate und der MBE-Wachstumsprozess werden beschrieben. Die Ausrichtung und kristalline Reihenfolge des Substrats und der Filmoberfläche werden durch die Reflexions-Hochenergieelektronenbeugung (RHEED) vor und während des Wachstums überwacht. Die Spiegelreflektivität der Probenoberfläche wird während des Wachstums mit einem Ar-Ionen-Laser mit einer Wellenlänge von 488 nm gemessen. Durch die Anpassung der Zeitabhängigkeit der Reflektivität an ein mathematisches Modell werden der Brechungsindex, der optische Aussterbekoeffizient und die Wachstumsrate des Films bestimmt. Die Metallflüsse werden unabhängig voneinander in Abhängigkeit von den Ergusszellentemperaturen mit einem Quarzkristallmonitor gemessen. Typische Wachstumsraten liegen bei Wachstumstemperaturen von 150 °C bzw. 330 °C bei Mg3N2 bzw. Zn3N2-Folien bei 0,028 nm/s.
Introduction
Die II3-V2-Materialien sind eine Klasse von Halbleitern, die von der Halbleiterforschungsgemeinschaft im Vergleich zu III-V- und II-VI-Halbleitern relativ wenig Beachtet haben1. Die Mg- und Zn-Nitride, Mg3N2 und Zn3N2, sind für Verbraucheranwendungen attraktiv, da sie aus reichlich vorhandenen und ungiftigen Elementen bestehen, was sie im Gegensatz zu den meisten III-V und II-VI kostengünstig und leicht zu recyceln macht. Verbundhalbleitern. Sie zeigen eine Anti-Bixbyit-Kristallstruktur ähnlich der CaF 2-Struktur, wobei einer der durchdringenden fcc F-Sublattices halb besetzt ist2,3,4,5. Sie sind beide direkte Band spaltmaterialien6, so dass sie für optische Anwendungen7,8,9. Der Bandabstand von Mg3N2 befindet sich im sichtbaren Spektrum (2,5 eV)10, und der Bandabstand von Zn3N2 befindet sich im Nahinfrarot (1,25 eV)11. Um die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien und ihr Potenzial für anwendungen für elektronische und optische Geräte zu untersuchen, ist es wichtig, qualitativ hochwertige Einzelkristallfolien zu erhalten. Die meisten Arbeiten an diesen Materialien wurden bisher an Pulvern oder polykristallinen Folien durchgeführt, die durch reaktives Sputtern 12,13,14,15,16, 17.
Molecular beam epitaxy (MBE) ist eine gut entwickelte und vielseitige Methode zum Anbau von Einkristall-Verbundhalbleiterfolien18, die das Potenzial hat, hochwertige Materialien mit einer sauberen Umgebung und hochreinen Elementarquellen zu liefern. In der Zwischenzeit ermöglicht die MBE-Schnellverschlussaktion Änderungen an einer Folie im atomaren Schichtmaßstab und ermöglicht eine präzise Dickenkontrolle. Dieses Papier berichtet über das Wachstum von Mg3N2 und Zn3N2 epitaxialen Folien auf MgO-Substraten durch plasmaunterstütztes MBE, unter Verwendung von hochreinen Zn und Mg als Dampfquellen und N2-Gas als Stickstoffquelle.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine Vielzahl von Überlegungen ist bei der Auswahl der Substrate und der Festlegung der Wachstumsbedingungen, die die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Folien optimieren, beteiligt. Die MgO-Substrate werden bei hoher Lufttemperatur (1000 °C) erhitzt, um Kohlenstoffkontaminationen von der Oberfläche zu entfernen und die kristalline Ordnung in der Substratoberfläche zu verbessern. Die Ultraschallreinigung in Aceton ist eine gute Alternative zur Reinigung der MgO-Substrate.
D…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada unterstützt.
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% |
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