Plasma-assisteret molekyl stråle Epitaxy-vækst på mg3n2 og Zn3n2 tynde film
Summary
I denne artikel beskrives væksten af epitaksiale film af mg3n2 og Zn3n2 på MgO-substrater ved hjælp af plasma-assisteret molekyle stråle cellen med N2 -gas som nitrogen kilde og optisk vækst overvågning.
Abstract
I denne artikel beskrives en procedure for dyrkning af mg3n2 -og Zn3n2 -film ved hjælp af plasma-assisteret molekyl stråle cellen (MBE). Filmene dyrkes på 100-orienterede MgO-substrater med N2 -gas som nitrogen kilde. Metoden til klargøring af substrater og MBE-vækstprocessen beskrives. Den retning og krystallinske orden af substrat og film overflade overvåges af refleksion høj energi elektron diffraktion (RHEED) før og under vækst. Prøve fladens spekulære reflektivitet måles under vækst med en AR-ion-laser med en bølgelængde på 488 nm. Ved at tilpasse tids afhængigheden af reflektivitet til en matematisk model bestemmes brydningsindekset, den optiske ekstinktionskoefficient og filmens væksthastighed. Metal flusmidler måles uafhængigt som en funktion af effusion celle temperaturerne ved hjælp af en kvarts krystal Monitor. Typiske vækstrater er 0,028 nm/s ved vækst temperaturer på 150 °C og 330 °C for henholdsvis mg3n2 og Zn3n2 film.
Introduction
II3-v2 -materialerne er en klasse af halvledere, der har fået relativt lidt opmærksomhed fra halvleder FORSKNINGSSAMFUNDET sammenlignet med III-v og II-vi-halvledere1. Mg og Zn nitrides, mg3n2 og Zn3n2, er attraktive for forbrugeranvendelser, fordi de er sammensat af rigelige og ikke-giftige elementer, hvilket gør dem billige og nemme at genbruge i MODSÆTNING til de fleste III-V og II-vi sammensatte halvledere. De viser en anti-bixbyite krystalstruktur svarende til CaF2 struktur, med en af de interpenetratering FCC F-sublattices er halvt besat2,3,4,5. De er begge direkte band Gap materialer6, hvilket gør dem egnede til optiske applikationer7,8,9. Bånd hullet på mg3n2 er i det synlige spektrum (2,5 EV)10, og bånd afstanden på Zn3n2 er i den nær-infrarøde (1,25 EV)11. For at udforske de fysiske egenskaber af disse materialer og deres potentiale for elektroniske og optiske enheder applikationer, er det afgørende at opnå høj kvalitet, enkelt krystal film. Det meste arbejde med disse materialer til dato er blevet udført på pulvere eller polykrystallinske film fremstillet af reaktive spruttende12,13,14,15,16, 17.
Molecular Beam cellen (MBE) er en veludviklet og alsidig metode til dyrkning af Single-Crystal sammensatte halvleder film18 , der har potentiale til at give materialer af høj kvalitet ved hjælp af et rent miljø og høj renhed elementært kilder. I mellemtiden, MBE hurtigudløser handling muliggør ændringer i en film på atomlag skala og giver mulighed for præcis tykkelse kontrol. Dette papir rapporterer om væksten af mg3n2 og Zn3n2 epitaksiale film på MgO substrater af plasma-assisteret MBE, ved hjælp af høj renhed Zn og mg som dampkilder og N2 gas som nitrogen kilde.
Protocol
Representative Results
Discussion
En række overvejelser er involveret i valget af substrater og etablering af vækstbetingelser, der optimerer de strukturelle og elektroniske egenskaber af filmene. MgO-substrater opvarmes ved høj temperatur i luft (1000 °C) for at fjerne kulstof forurening fra overfladen og forbedre krystallinsk orden i substrat overfladen. Ultralyd rengøring i acetone er en god alternativ metode til at rense MgO substrater.
(400) X-ray diffraktion peak for Zn3N2 film blev fundet at v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Canadas naturvidenskabs-og ingeniør Forskningsråd.
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).
