Mg3n2 ve Zn3n2 Ince filmlerin plazma destekli moleküler ışın epitaxy büyümesi
Summary
Bu makalede, mg3n2 ve Zn3n2 ‘ nin Epitaksiyel filmlerinin, azot kaynağı ve optik büyüme izleme olarak N2 gaz Ile plazma destekli moleküler kiriş epitaxy tarafından MgO substratlar üzerinde büyümesi anlatılmaktadır.
Abstract
Bu makalede, plazma destekli moleküler ışın epitaxy (MBE) tarafından mg3n2 ve Zn3n2 filmleri büyüyen bir yordam açıklanır. Filmler, azot kaynağı olarak N2 gaz ile 100 odaklı MgO substrat üzerinde yetiştirilen. Substratlar ve MBE büyüme sürecini hazırlamak için yöntem açıklanmıştır. Substrat ve film yüzeyinin Oryantasyon ve kristalin sırası, yüksek enerji elektron kırması (RHEED) önce ve büyüme sırasında yansıma tarafından izlenir. Numune yüzeyinin speküler yansıtıcılık 488 nm dalga boyu ile bir ar-iyon lazer ile büyüme sırasında ölçülür. Yansıtıcılığın zaman bağımlılığını matematiksel bir modele sığdırarak, refraktif Endeks, optik tükenme katsayısı ve filmin büyüme oranı belirlenir. Metal Fluxlar, kuvars kristal monitör kullanılarak efüzyon hücresi sıcaklıklarının bir fonksiyonu olarak bağımsız olarak ölçülür. Tipik büyüme oranları sırasıyla 150 °C ‘ nin büyüme sıcaklıklarında 0,028 nm/s, mg3n2 ve Zn3n2 filmler için 330 °c ‘ dir.
Introduction
II3-v2 malzemeleri, III-v ve II-VI yarı iletkenler1‘ e kıyasla Yarıiletken araştırma topluluğundan nispeten az dikkat çeken bir yarıiletken sınıfıdır. Mg ve Zn nitrides, mg3n2 ve Zn3n2, onlar bol ve toksik olmayan elemanları oluşur, çünkü tüketici UYGULAMALARı için cazip, onları ucuz ve en III-V ve II-VI aksine geri dönüşüm kolay hale bileşik Yarıiletkenler. CaF2 yapısına benzer bir anti-bixbyite kristal yapısı gösteriyorlar, interpenetran FCC F-sublattıclardan biri yarı işgal edilmiş2,3,4,5. Hem doğrudan bant Gap malzeme6, optik uygulamalar için uygun hale7,8,9. Mg3n2 ‘ nin grup boşluğu görünür spektrumunda (2,5 ev)10ve Zn3n2 ‘ nin bant boşluğu yakın kızılötesi (1,25 ev)11‘ de. Bu malzemelerin fiziksel özelliklerini ve elektronik ve optik cihaz uygulamalarının potansiyelini keşfetmek için yüksek kalitede, tek kristal filmler elde etmek önemlidir. Bu materyallerin en çok çalışması, reaktif püskürtücüler12,13,14,15,16ile yapılan tozlar veya Polikristal filmler üzerinde yapılmıştır. 17 yaşında.
Moleküler ışın epitaxy (MBE), temiz bir ortam ve yüksek saflıkta Elemental kaynaklar kullanarak yüksek kaliteli malzemeler elde etme potansiyeline sahip tek kristal bileşik Yarıiletken filmleri18 büyüyen için iyi geliştirilen ve çok yönlü bir yöntemdir. Bu arada, MBE hızlı deklanşör eylem atomik katman ölçekte bir film değişiklikleri sağlar ve hassas kalınlık kontrolü için izin verir. Bu yazıda plazma destekli MBE ile MgO substratlar üzerinde mg3n2 ve Zn3n2 Epitaksiyel filmler büyümesi hakkında raporlar, yüksek saflık Zn ve mg buharı kaynakları ve N2 Gaz azot kaynağı olarak kullanarak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Noktalar çeşitli substratlar seçimi ve film yapısal ve elektronik özelliklerini optimize büyüme koşulları kurulması yer almaktadır. MgO substratlar, yüzeyden karbon kontaminasyonunu kaldırmak ve substrat yüzeyinde kristalin sırasını iyileştirmek için hava (1000 °C) yüksek sıcaklıkta ısıtılır. Aseton Ultrasonik Temizleme MgO substratlar temizlemek için iyi bir alternatif yöntemdir.
(400) Zn3N2 filmler için X-ışını kırılacak tepe, film y?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Kanada Doğal Bilimler ve Mühendislik Araştırma Konseyi tarafından destekleniyordu.
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).
