מולקולרית בסיוע מולקולרי הקרן הצמיחה הגידול של Mg3n2 ו Zn3n2 סרטים דקים
Summary
מאמר זה מתאר את הצמיחה של הסרטים האפיציריים של Mg3n2 ו zn3N2 על mgo מצעים על ידי בסיוע פלזמה מולקולרי קרן הקורה עם N2 גז כמו מקור החנקן וניטור הצמיחה האופטית.
Abstract
מאמר זה מתאר הליך לגידול Mg3n2 ו-zn3n2 סרטים על-ידי כאפיאקטיות בסיוע פלזמה של קרן מולקולרית (mbe). הסרטים גדלים על 100 מוכוונת MgO מצעים עם N2 גז כמו מקור החנקן. השיטה להכנת מצעים ותהליך הגדילה של MBE מתוארים. הכיוון ואת הסדר הגבישי של משטח המצע והסרט מנוטרים על ידי השתקפות אנרגיה גבוהה עקיפה של אלקטרון (RHEED) לפני ובמהלך הצמיחה. השתקפות השתקפות של משטח המדגם נמדדת במהלך הצמיחה עם לייזר Ar-ion עם אורך גל של 488 ננומטר. על-ידי התאמת התלות הזמנית של ההשתקפות למודל מתמטי, נקבע המדד השבירה, מקדם ההכחדה האופטי וקצב הצמיחה של הסרט. פלופי המתכת נמדדים באופן עצמאי כפונקציה של הטמפרטורות בתאי האפיתוך באמצעות צג גביש קוורץ. שיעורי צמיחה אופייני הם 0.028 ננומטר/s בטמפרטורות הצמיחה של 150 ° צ’ ו 330 ° צ’ עבור Mg3n2 ו zn3n2 סרטים, בהתאמה.
Introduction
II3-V2 חומרים הם מחלקה של מוליכים למחצה שקיבלו תשומת לב יחסית מן הקהילה מחקר מוליך למחצה לעומת III-V ו-II-VI מוליכים למחצה1. Mg ו Zn nitrides, Mg3n2 ו-zn3N2, הם אטרקטיבי עבור יישומי הצרכן משום שהם מורכבים אלמנטים שונים ולא רעילים, מה שהופך אותם זול וקל למחזר בניגוד לרוב III-V ו-II-VI מוליכים למחצה מורכבים. הם מציגים מבנה אנטי-ביקסוניט בקריסטל דומה למבנה של קפה2 , עם אחד האנשים האחרים הנמצאים בשטח מאוכלס בחצי,3,4,5. הם שניהם הפער להקה ישירה חומרים6, מה שהופך אותם מתאימים יישומים אופטיים7,8,9. פער הלהקה של Mg3N2 הוא בספקטרום גלוי (2.5 eV)10, ואת הפער הלהקה של zn3N2 הוא בסמוך-אינפרא אדום (1.25 eV)11. כדי לחקור את המאפיינים הפיזיים של חומרים אלה ואת הפוטנציאל שלהם עבור יישומי המכשיר האלקטרוני והאופטי, זה קריטי כדי להשיג איכות גבוהה, סרטי קריסטל יחיד. רוב העבודה על חומרים אלה עד היום בוצעה על הסרטים אבקות או פוליגביניים שנעשו על ידי התזה תגובתי12,13,14,15,16, . שבע עשרה
מולקולרית הקרן (MBE) היא שיטה מפותחת ומגוונת עבור הצומח בודד קריסטל מתחם סרטים מוליכים למחצה18 כי יש פוטנציאל להניב חומרים באיכות גבוהה באמצעות סביבה נקייה מקורות היסודות טוהר גבוהה. בינתיים, MBE פעולה תריס מהירה מאפשר שינויים בסרט בסולם השכבות האטומי ומאפשר בקרת עובי מדויק. נייר זה מדווח על התפתחותם של Mg3n2 ו zn3n2 הסרט האפיציאני ב-mgo מצעים על ידי פלזמה, באמצעות הטוהר הגבוה zn ו-Mg כמו מקורות אדים ו-N2 גז כמו מקור החנקן.
Protocol
Representative Results
Discussion
מגוון שיקולים מעורב בבחירת מצעים והקמת תנאי הצמיחה הממטב את התכונות המבבניות והאלקטרוניות של הסרטים. מצעים MgO מחוממים בטמפרטורה גבוהה באוויר (1000 ° c) כדי להסיר את זיהום הפחמן מפני השטח ולשפר את הסדר הגבישי במשטח המצע. ניקוי אולטרה סאונד ב אצטון היא שיטה חלופית טובה כדי לנקות את מצעים MgO.
<p …Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מדעי הטבע והמועצה לחקר ההנדסה של קנדה.
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).
