Crecimiento de la epitasa de haz molecular asistido por plasma de Mg3N2 y Zn3N2 Thin Films
Summary
Este artículo describe el crecimiento de películas epitaxiales de Mg3N2 y Zn3N2 en sustratos de MgO por epitaxiía de haz molecular asistida por plasma con gas N2 como fuente de nitrógeno y monitoreo óptico del crecimiento.
Abstract
Este artículo describe un procedimiento para el cultivo de películas Mg3N2 y Zn3N2 por epitaxía de haz molecular asistido por plasma (MBE). Las películas se cultivan en 100 sustratos MgO orientados con n2 gas como fuente de nitrógeno. Se describe el método para preparar los sustratos y el proceso de crecimiento de MBE. La orientación y el orden cristalino del sustrato y la superficie de la película son monitoreados por la reflexión de difracción de electrones de alta energía (RHEED) antes y durante el crecimiento. La reflectividad especular de la superficie de la muestra se mide durante el crecimiento con un láser Ar-ion con una longitud de onda de 488 nm. Al ajustar la dependencia temporal de la reflectividad a un modelo matemático, se determinan el índice de refracción, el coeficiente de extinción óptica y la tasa de crecimiento de la película. Los flujos metálicos se miden independientemente en función de las temperaturas celulares de derrame utilizando un monitor de cristal de cuarzo. Las tasas de crecimiento típicas son de 0,028 nm/s a temperaturas de crecimiento de 150 oC y 330 oC para películas Mg3N2 y Zn3N2, respectivamente.
Introduction
Los materiales II3-V2 son una clase de semiconductores que han recibido relativamente poca atención de la comunidad de investigación de semiconductores en comparación con los semiconductores III-V y II-VI1. Los nitruros Mg y Zn, Mg3N2 y Zn3N2,son atractivos para aplicaciones de consumo porque están compuestos de elementos abundantes y no tóxicos, haciéndolos baratos y fáciles de reciclar a diferencia de la mayoría de III-V y II-VI semiconductores compuestos. Muestran una estructura de cristal anti-bixbyita similar a la estructura CaF2, con uno de los f-sublattices fcc interpenetrantes siendo medio ocupado2,3,4,5. Ambos son materialesde separación de banda directa 6, por lo que son adecuados para aplicaciones ópticas7,8,9. La brecha de banda de Mg3N2 está en el espectro visible (2,5 eV)10, y la brecha de banda de Zn3N2 está en el infrarrojo cercano (1,25 eV)11. Para explorar las propiedades físicas de estos materiales y su potencial para aplicaciones de dispositivos electrónicos y ópticos, es fundamental obtener películas de cristal único de alta calidad. La mayor parte de los trabajos sobre estos materiales hasta la fecha se han realizado en polvos o películas policristalinas realizadas por esputo reactivo12,13,14,15,16, 17.
La epitaxía de haz molecular (MBE) es un método bien desarrollado y versátil para el cultivo de películas semiconductoras compuestas de un solo cristal18 que tiene el potencial de producir materiales de alta calidad utilizando un entorno limpio y fuentes elementales de alta pureza. Mientras tanto, la acción rápida del obturador MBE permite cambios en una película a la escala de capa atómica y permite un control preciso del espesor. Este artículo informa sobre el crecimiento de mg3N2 y Zn3N2 películas epitaxiales en sustratos de MgO por MBE asistido por plasma, utilizando Zn y Mg de alta pureza como fuentes de vapor y N2 gas como fuente de nitrógeno.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una variedad de consideraciones está involucrada en la elección de sustratos y el establecimiento de las condiciones de crecimiento que optimizan las propiedades estructurales y electrónicas de las películas. Los sustratos de MgO se calientan a alta temperatura en el aire (1000 oC) para eliminar la contaminación por carbono de la superficie y mejorar el orden cristalino en la superficie del sustrato. La limpieza ultrasónica en acetona es un buen método alternativo para limpiar los sustratos de MgO.
<p class="j…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.
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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