Crescimento Epitaxia do feixe molecular assistido por plasma de mg3n2 e Zn3n2 filmes finos

Summary

Este artigo descreve o crescimento de películas de epitaxial do magnésio₃n₂ e do Zn₃n₂ em carcaças de MgO pelo Epitaxy molecular plasma-ajudado do feixe com gás de n₂ como a fonte do nitrogênio e a monitoração ótica do crescimento.

Abstract

Este artigo descreve um procedimento para crescer películas do magnésio₃n₂ e do Zn₃n₂ pelo Epitaxy molecular plasma-ajudado do feixe (MBE). Os filmes são cultivados em 100 substratos MgO orientados com gás N₂ como fonte de nitrogênio. O método para a preparação dos substratos e o processo de crescimento do MBE são descritos. A orientação e a ordem cristalina do substrato e da superfície do filme são monitoradas pela reflexão sobre a difração de elétrons de alta energia (RHEED) antes e durante o crescimento. A reflectividade especular da superfície da amostra é medida durante o crescimento com um laser de ar-Ion com um comprimento de onda de 488 nm. Ajustando a dependência do tempo da reflectividade a um modelo matemático, o índice refração, o coeficiente ótico da extinção, e a taxa de crescimento da película são determinados. Os fluxos metálicos são medidos de forma independente em função das temperaturas das células de efusão utilizando um monitor de cristal de quartzo. As taxas de crescimento típicas são 0, 28 nm/s em temperaturas de crescimento de 150 ° c e 330 ° c para mg₃n₂ e Zn₃n₂ filmes, respectivamente.

Introduction

Os materiais do II₃-v₂ são uma classe dos semicondutores que receberam relativamente pouca atenção da Comunidade da pesquisa do SEMICONDUTOR comparada aos semicondutores III-v e II-vi¹. Os nitretos de MG e Zn, mg₃n₂ e Zn₃n₂, são atrativos para aplicações de consumo, pois são compostos por elementos abundantes e não tóxicos, tornando-os baratos e fáceis de reciclar ao contrário da maioria dos III-V e II-vi semicondutores compostos. Eles exibem uma estrutura de cristal anti-bixbyite semelhante à estrutura CaF₂ , com um dos FCC interpenetrantes F-sublattices sendo meio ocupado^2,3,4,5. São ambos os materiais diretos⁶da abertura da faixa, fazendo os apropriados para aplicações óticas^7,8,9. A lacuna de banda de mg₃n₂ está no espectro visível (2,5 EV)¹⁰, e a lacuna de banda de Zn₃N₂ está no infravermelho próximo (1,25 EV)¹¹. Para explorar as propriedades físicas destes materiais e seu potencial para aplicações eletrônicas e óticas do dispositivo, é crítico para obter a alta qualidade, únicas películas de cristal. A maioria dos trabalhos sobre estes materiais até à data foi realizada em pós ou filmes policristalinos feitos por sputtering reativa¹²,^13,14,15,16, a ¹⁷.

O Epitaxy do feixe molecular (MBE) é um método bem desenvolvido e versátil para crescer películas compostas do semicondutor do único-cristal¹⁸ que tem o potencial render materiais da alta qualidade usando um ambiente limpo e umas fontes elementares da elevado-pureza. Entretanto, a ação rápida do obturador de MBE permite mudanças a uma película na escala da camada atômica e permite o controle preciso da espessura. Este trabalho relata o crescimento de mg₃n₂ e Zn₃n₂ filmes epitaxiais em substratos MgO por MBE assistida por plasma, utilizando Zn de alta pureza e mg como fontes de vapor e gás N₂ como fonte de nitrogênio.

Protocol

1. preparação do substrato MgO Nota: um lado comercial EPI-polido (100) orientada único cristal MgO quadrado substratos (1 cm x 1 cm) foram empregadas para o X3N2 (x = Zn e mg) de crescimento da película fina. Recozimento de alta temperatura Coloc o MgO em um portador limpo da amostra da bolacha da safira com o lado lustrado que enfrenta para cima em uma fornalha e um recoze para 9 h em 1.000 ° c. Aumente a temperatura para 1000 ° c durante um per?…

Representative Results

O objeto preto no embutido na Figura 5b é uma fotografia de um filme fino de 200 nm Zn3N2 . Da mesma forma, o objeto amarelo no Inset na Figura 5C é um como-crescido 220 nm mg3N2 Thin Film. O filme amarelo é transparente na medida em que é fácil de ler o texto colocado atrás do filme10. A superfí…

Discussion

Uma variedade de considerações está envolvida na escolha de substratos e estabelecendo as condições de crescimento que otimizam as propriedades estruturais e eletrônicas dos filmes. Os substratos MgO são aquecidos a alta temperatura no ar (1000 ° c) para remover a contaminação de carbono da superfície e melhorar a ordem cristalina na superfície do substrato. A limpeza ultra-sônica na acetona é um bom método alternativo para limpar os substratos do MgO.

O pico de difração de ra…

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%