Плазменный молекулярный луч Эпитаксисы Рост Mg3N2 и N3N2 Тонкие пленки
Summary
В этой статье описывается рост эпитаксиальных пленок Mg3N2 и N3N2 на субстратах MgO с помощью плазменной молекулярной лучейной эпитаксии с газом N2 в качестве источника азота и оптического мониторинга роста.
Abstract
В этой статье описывается процедура для выращивания Mg3N2 и N3N2 пленки плазменной молекулярной лучей эпитаксии (MBE). Пленки выращиваются на 100 ориентированных субстратах MgO с газом N2 в качестве источника азота. Описан метод подготовки субстратов и процесс роста MBE. Ориентация и кристаллический порядок субстрата и поверхности пленки контролируются отражением высокоэнергетической дифракции электронов (RHEED) до и во время роста. При росте поверхности образца измеряется зеркальная отражательная способность с длиной волны 488 нм. Устанавливая временной зависимости отражательной способности к математической модели, определяются рефракционный индекс, оптический коэффициент вымирания и темпы роста пленки. Металлические потоки измеряются независимо как функция температуры клеток выпота с помощью кварцевого кристаллического монитора. Типичные темпы роста составляют 0,028 нм/с при температуре роста 150 градусов по Цельсию и 330 градусов по Цельсию для Mg3N2 и N3N2 соответственно.
Introduction
Материалы II3-V2 представляют собой класс полупроводников, которым уделяется относительно мало внимания со стороны научно-исследовательского сообщества полупроводников по сравнению с III-V и II-VI полупроводниками1. Мг и N нитридов, Mg3N2 и N3N2, являются привлекательными для потребительских приложений, потому что они состоят из обильных и нетоксических элементов, что делает их недорогими и легко перерабатывать в отличие от большинства III-V и II-VI составных полупроводников. Они отображают анти-биксбит кристаллструктуры похож на caF2 структуры, с одним из взаимопроникающих fcc F-сублаттики время наполовину заняты2,3,4,5. Они оба прямыематериалы разрыва полосы 6, что делает их пригодными для оптических приложений7,8,9. Разрыв полосы Mg3N2 находится в видимом спектре (2,5 эВ)10, а разрыв полосыn 3N2 находится в ближнем инфракрасном (1,25 eV)11. Для изучения физических свойств этих материалов и их потенциала для применения электронных и оптических устройств, очень важно получить высококачественные, одиночные кристаллические пленки. Большая часть работы по этим материалам на сегодняшний день была проведена на порошках или поликристаллических пленках, сделанных реактивным распылением12,13,14,15,16, 17.
Молекулярная лучевая эпитаксия (MBE) является хорошо развитым и универсальным методом выращивания однокристаллических полупроводниковых пленок18, который может дать высококачественные материалы с использованием чистой окружающей среды и высококачественных элементарных источников. Между тем, быстрое действие затвора MBE позволяет изменять пленку в масштабе атомного слоя и позволяет точно контролировать толщину. В этой статье сообщается о росте Mg3N2 и N3N2 эпитаксиальных пленок на субстратах MgO плазменными MBE, используя высокую чистоту Зн и Мг в качестве источников пара и n2 газа в качестве источника азота.
Protocol
Representative Results
Discussion
Разнообразие соображений связано с выбором субстратов и созданием условий роста, которые оптимизируют структурные и электронные свойства пленок. Субстраты MgO нагреваются при высокой температуре воздуха (1000 градусов по Цельсию) для удаления загрязнения углерода с поверхности и улучше…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады.
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).
