Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف هذا مادة الحالة نموّ من أفلام إبيتاكسيّ من [مغ]3[ن]2 و [زن]3[ن]2 على [مغو] ركائز ب [بلازما-كنّد] شعاع جزيئيّة [إبيإكسي] مع [ن]2 غاز كالنيتروجين مصدر وبصريّة حالة نموّ رصد.

Abstract

يصف هذا مادة إجراء ل ينمو [مغ]3[ن]2 و [زن]3[ن]2 أفلام ب [بلازما-كنّد] شعاع جزيئيّة [إبيإكسي] ([مب]). وتزرع الأفلام على 100 الموجهة MgO ركائز مع الغاز N2 كمصدر النيتروجين. يتم وصف طريقة إعداد الركائز وعملية نمو MBE. يتم رصد التوجه والنظام البلورية للطبقة والأسطح الفيلم من قبل انعكاس انعراج الإلكترون عالية الطاقة (RHEED) قبل وأثناء النمو. يتم قياس انعكاسية الطيفية لسطح العينة أثناء النمو مع ليزر أيون مع الطول الموجي من 488 نانومتر. من خلال تركيب الاعتماد على الوقت من انعكاسية لنموذج رياضي، يتم تحديد مؤشر الانكسار، ومعامل الانقراض البصري، ومعدل نمو الفيلم. يتم قياس التدفقات المعدنية بشكل مستقل كدالة لدرجات حرارة خلية الانصباب باستخدام شاشة كريستال الكوارتز. معدلات النمو النموذجية هي 0.028 نانومتر / ث في درجات حرارة النمو من 150 درجة مئوية و 330 درجة مئوية لملغ3N2 والزنك3N2 الأفلام، على التوالي.

Introduction

الموادII 3-V2 هي فئة من أشباه الموصلات التي تلقت القليل نسبيا من الاهتمام من مجتمع بحوث أشباه الموصلات مقارنة مع أشباه الموصلات III-V و II-VI1. وملغ والزنك نيتريدس، ملغ3N2 والزنك3N2،هي جذابة لتطبيقات المستهلك لأنها تتألف من عناصر وفيرة وغير سامة، مما يجعلها غير مكلفة وسهلة لإعادة تدوير على عكس معظم III-V و II-VI أشباه الموصلات المركبة. أنها تعرض هيكل الكريستال المضادة للبيكسبيت مماثلة لهيكل CaF 2، مع واحدة من شبكة الاتصالات الفدرالية المتشابكة F-sublattices يجري نصف المحتلة2،3،4،5. كلاهما مباشرة الموادالفجوة الفرقة 6، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البصرية7،8،9. الفجوة الفرقة من ملغ3N2 في الطيف المرئي (2.5 eV)10، والفجوة الفرقة من الزنك3N2 في الأشعة تحت الحمراء القريبة (1.25 eV)11. لاستكشاف الخصائص الفيزيائية لهذه المواد وإمكاناتها لتطبيقات الأجهزة الإلكترونية والبصرية، من المهم الحصول على أفلام الكريستال ذات جودة عالية وواحدة. وقد تم تنفيذ معظم الأعمال على هذه المواد حتى الآن على مساحيق أو أفلام متعددة البلورات التي أدلى بها رد الفعل التأتأة12،13،14،15،16، 17.

الشعاع الجزيئي epitaxy (MBE) هو طريقة متطورة ومتعددة الاستخدامات لزراعة أفلام أشباه الموصلات المركبة أحادية الكريستال18 التي لديها القدرة على إنتاج مواد ذات جودة عالية باستخدام بيئة نظيفة ومصادر عنصرية عالية النقاء. وفي الوقت نفسه، يتيح عمل الغالق السريع MBE تغييرات في فيلم على مقياس الطبقة الذرية ويسمح بالتحكم الدقيق في سمك. هذه الورقة تقارير عن نمو ملغ3N2 والزنك3N2 الأفلام الظهارية على ركائز MgO من قبل MBE بمساعدة البلازما، وذلك باستخدام عالية النقاء الزنك وملغ كمصادر بخار وN2 الغاز كمصدر النيتروجين.

Protocol

1. إعداد الركيزة MgO

ملاحظة: تم استخدام الركائز المربعة أحادية اللون من الكريستال الواحد MgO (1 سم × 1 سم) لـ X3N2 (X = Zn and Mg) لنمو الأفلام الرقيقة.

  1. ارتفاع درجة الحرارة الصلب
    1. ضع MgO على حامل عينة رقاقة الياقوت نظيفة مع الجانب المصقول التي تواجه صعودا في فرن والصلب لمدة 9 ساعة في 1000 درجة مئوية. رفع درجة الحرارة إلى 1000 درجة مئوية على مدى فترة 10 دقيقة.
      ملاحظة: ارتفاع درجة الحرارة الصلب يزيل الكربون من السطح ويعيد بناء بنية الكريستال السطحية من ركائز الكريستال واحد MgO.
    2. تبريد ركائز MgO إلى درجة حرارة الغرفة (RT).
  2. تنظيف الركيزة
    1. جمع ركائز MgO الصلب وشطف في الماء منزوع الأيونات في كوب زجاجي البورسليكات نظيفة.
    2. تغلي ركائز MgO في 100 مل من الأسيتون في كوب زجاجي البورسليكات 250 مل لمدة 30 دقيقة لإزالة التلوث الكربوني غير العضوي من المناولة.
      ملاحظة: تغطية الكأس ولا تسمح الأسيتون ليغلي الجافة.
    3. استنزاف الأسيتون وشطف ركائز MgO في 50 مل من الميثانول.
    4. تجفيف الركائز مع غاز النيتروجين، ثم تخزين الركائز الجافة والنظيفة في علبة رقاقة نظيفة.

2. تشغيل VG V80 MBE

  1. فتح مياه التبريد لغرفة التحضير، cryoshroud على غرفة النمو (انظر الشكل1)، خلايا الانصباب، والكوارتز الكريستال الاستشعار microbalance.
  2. تشغيل الليزر الأيون مع الطول الموجي من 488 نانومتر. يتم جلب ضوء الليزر إلى غرفة MBE مع الألياف البصرية من الليزر، والذي يقع في غرفة أخرى.
  3. تشغيل انعكاس عالية الطاقة بندقية انعراج الإلكترون (RHEED)، 13.56 ميغاهيرتز الترددات الراديوية (الترددات اللاسلكية) مولد البلازما، والكوارتز الكريستال microbalance (QCM) نظام.

3. الركيزة التحميل

  1. قفل دخول سريع
    1. جبل الركيزة مغو نظيفة على حامل عينة الموليبدينوم (الشكل2A)باستخدام مقاطع الربيع التنغستن.
    2. إيقاف مضخة توربو على قفل دخول سريع (FEL) وتنفيس غرفة FEL مع النيتروجين. فتح FEL عندما يصل ضغط الغرفة إلى الضغط الجوي.
    3. قم بإزالة كاسيت حامل العينات من FEL واحمّل حامل العينة بالركيزة في الدرج.
    4. قم بتحميل الكاسيت مرة أخرى إلى FEL وأعد تشغيل المضخة التوربينية مرة أخرى.
    5. انتظر الضغط في FEL إلى انخفاض إلى 10-6 تور.
    6. زيادة درجة حرارة قفل الدخول السريع إلى 100 درجة مئوية على مدى فترة 5 دقائق وdegas ركائز مع أصحاب لمدة 30 دقيقة في قفل الدخول السريع.
  2. تأكد من الضغط في قفل الدخول السريع هو أقل من 10-7 تور قبل فتح صمام فراغ إلى غرفة الإعداد. نقل حامل باستخدام آلية نقل عصا تمايل إلى غرفة الإعداد، ثم تصعيد محطة إزالة الغاز إلى 400 درجة مئوية والسماح لها ديغاز لمدة 5 ساعة.
  3. نقل حامل منزوع الغاز بواسطة آلية نقل عربة إلى المتلاعب عينة في غرفة النمو. زيادة درجة حرارة الركيزة تصل إلى 750 درجة مئوية على مدى فترة 30 دقيقة والسماح للعينة إلى outgas في المتلاعب لمدة 30 دقيقة أخرى.
  4. انخفاض درجة حرارة الركيزة إلى 150 درجة مئوية لنمو فيلم Zn3N2 و 330 درجة مئوية لنمو فيلم Mg3N2 باستخدام الحرارية في المتلاعب عينة لقياس درجة حرارة العينة.
  5. في الموقع
    1. تعيين الجهد على بندقية الإلكترون إلى 15 كيلو فولت وخيوط الحالية إلى 1.5 A مرة واحدة ضغط غرفة النمو هو أقل من 1 × 10-7 تور.
    2. تدوير حامل الركيزة حتى 1) يتم محاذاة بندقية الإلكترون على طول محور الكريستال مبدأ الركيزة و 2) واضح نمط انعراج الإلكترون الكريستال واحد مرئي.
    3. التقاط صورة لنمط RHEED وحفظ الصورة.
  6. أغلق الغالق على خلية الانصباب وأوقف تدفق النيتروجين. قياس نمط RHEED للفيلم المودعة عندما ضغط الغرفة هو أقل من 10-7 تور.

4. قياسات تدفق المعادن

  1. استخدام معيار مجموعة III نوع خلايا الانصباب أو خلايا الانصباب درجة حرارة منخفضة لملغ والزنك.
  2. تحميل بوتقة مع 15 غرام و 25 غرام من النقاء العالي Mg وZn النار، على التوالي.
  3. عندما حققت غرفة النمو فراغ من 10-8 تور أو أفضل، وقبل تحميل حامل الركيزة، outgas الزنك أو ملغ خلايا انصباب المصدر تصل إلى 250 درجة مئوية بمعدل منحدر ~ 20 درجة مئوية / دقيقة والسماح لها outgas لمدة 1 ساعة مع مصاريع مغلقة.
  4. بعد أن تم تحميل الركيزة في المتلاعب عينة، وتسخين الزنك و / أو خلايا انصباب ملغ إلى 350 درجة مئوية أو 390 درجة مئوية على التوالي، بمعدل منحدر ~ 10 درجة مئوية / دقيقة، والانتظار 10 دقيقة بالنسبة لهم لتحقيق الاستقرار مع مصاريع مغلقة.
  5. استخدام شاشة الكريستال الكوارتز قابل للسحب لقياس تدفق المعادن. وضع جهاز استشعار الكريستال الكوارتز أمام الركيزة داخل الغرفة. تأكد من أن الركيزة مغطاة بالكامل من قبل كاشف بحيث لا يتم إيداع أي معدن على الركيزة.
  6. إدخال كثافة المعدن من الفائدة (الزنك = 7.14 غرام / سم3،وملغ = 1.74 غرام / سم3)في وحدة تحكم رصد الكريستال الكوارتز (QCM).
  7. لمعايرة التدفق، افتح الغالق لأحد المصادر المعدنية والسماح لخلية الانصباب بالإيداع على جهاز الاستشعار. يقوم نظام QCM بتحويل قياسه الداخلي للكتلة إلى سمك.
  8. حساب تدفق عنصري من المنحدر من سمك متزايد كدالة الوقت هو مبين على QCM. معدل زيادة سمك على مدى بضع دقائق يتناسب مع تدفق عنصري. وفي حالتين على سبيل المثال، يتم الحصول على تدفق زن قدره 0.45 نانومتر/ث وتدفق ملغ قدره 1.0 نانومتر/ث.
  9. تغيير درجة حرارة خلايا الانصباب وكرر الخطوة 4.8 إذا كان الاعتماد على درجة الحرارة من تدفق مطلوب. ويبين الشكل 3 الاعتماد على درجة الحرارة المقاسة لتدفق المغّاق والزنك من أجل نظام النمو المحدد هذا.
  10. عند اكتمال قياسات التدفق، أغلق مصاريع على خلايا الانصباب وسحب جهاز استشعار الكريستال الكوارتز.

5. النيتروجين البلازما

  1. إيقاف خيوط الحالية والجهد العالي على بندقية RHEED لمنع الضرر في وجود ارتفاع ضغط الغاز N2 في غرفة النمو.
  2. فتح صمام الغاز على الضغط العالي N2 اسطوانة.
  3. فتح ببطء صمام تسرب ببطء حتى ضغط النيتروجين في غرفة النمو يصل إلى 3 × 10-5-4 × 10-5 تور.
  4. تعيين قوة مولد البلازما إلى 300 واط.
  5. إشعال البلازما مع الإشعال على مصدر البلازما. سوف يكون توهج الأرجواني مشرق مرئية من منفذ العرض عندما تشتعل البلازما، كما هو مبين في الشكل 2B.
  6. ضبط عنصر التحكم في مربع مطابقة الترددات اللاسلكية لتقليل الطاقة المنعكسة قدر الإمكان. قوة منعكسة من أقل من 15 W هو جيد; في هذه الحالة، يتم تقليل الطاقة المنعكسة إلى 12 وات.

6. في الموقع ضوء الليزر التشتت

  1. التركيز على المفروم 488 نانومتر الأرجون ضوء الليزر ينعكس من الركيزة في غرفة النمو على صمام ثنائي Si بحيث يمكن الكشف عن إشارة كهربائية من قبل مكبر للصوت قفل في. ويتم ذلك عن طريق ضبط زاوية الركيزة عن طريق تدوير حامل الركيزة حول محورين وضبط موقف كاشف سي، ثم تركيز العدسة التي تجمع الضوء المنعكس كما هو موضح في الشكل4.
  2. فتح مصراع أحد المصادر المعدنية.
  3. تسجيل انعكاسية تعتمد على الوقت مع مسجل بيانات يتم التحكم فيه بالكمبيوتر. سوف ينتج عن نمو فيلم إبيتاكسي إشارة منعكسة متذبذبة مع الوقت المرتبط بالتداخل البصري للفيلم الرقيق بين الأسطح الأمامية والخلفية للفيلم.
  4. لحماية الفيلم من الأكسدة في الهواء، إيداع طبقة تغليف لحماية الفيلم من الأكسدة في الهواء. وهذا مهم بشكل خاص لملغ3N2 الذي يتأكسد بسرعة في الهواء.
  5. من أجل إيداع طبقة تغليف MgO، أغلق غاز النيتروجين، والتبديل إلى غاز الأكسجين، وكرر الخطوة 5.3، وزيادة ضغط الأكسجين إلى 1 × 10-5 تور.
  6. تعيين قوة مولد البلازما إلى 250 W وكرر الخطوة 5.5. تبدأ البلازما في انخفاض قوة الترددات اللاسلكية مع غاز الأكسجين من مع غاز النيتروجين.
  7. افتح الغالق على مصدر Mg، وكرر الخطوة 6.4 لمدة 5-10 دقائق.
    ملاحظة: هذا سوف تنتج فيلم MgO الذي هو حوالي 10 نانومتر سميكة. أفلام Mg3N2 غير المتوجة صفراء ولكنها تتلاشى بسرعة إلى لون أبيض في غضون 20 s عند التعرض للهواء. وبالتالي، مطلوب طبقة تغليف لإتاحة الوقت لإجراء قياسات على الأفلام قبل أن تتأكسد بعد إزالتها من غرفة الفراغ.
  8. أغلق صمامات الغاز، وأغلق الليزر، ومنحدر أسفل الركيزة ودرجات حرارة الخلية إلى ~ 25 درجة مئوية في 30 دقيقة.
  9. بعد عدة أشواط النمو، والنوافذ البصرية تصبح مغطاة بالمعادن. إزالة المعدن عن طريق التفاف النافذة في رقائق الألومنيوم وتسخينه مع شريط التدفئة إلى 400 درجة مئوية ومعدل منحدر درجة الحرارة من ~ 15 درجة مئوية / دقيقة أو أبطأ على مدى عطلة نهاية الأسبوع.

7 - تحديد معدل النمو

  1. استخدم المعادلة 1 أدناه لوصف انعكاسية بصرية للعينة11،19.
    figure-protocol-8334(1)
    حيث:
    figure-protocol-8436(1-أ)
    figure-protocol-8532(1-ب)
    figure-protocol-8628(1-ج)
    figure-protocol-8724(1-د)
  2. وحيث: ن2 = 1.747 هو مؤشر الانكسار من الركيزة MgO في الطول الموجي من 488 نانومتر; θ0 هي زاوية شعاع الحادث المقاسة فيما يتعلق بسطح الركيزة الطبيعي. وt هو الوقت. يتم الحصول على الثوابت البصرية للفيلم (ن1 وك 1) ومعدل النمو عن طريق تركيب انعكاسية كدالة للوقت في المعادلة 1.

النتائج

الكائن الأسود في بداية في الشكل 5B هو صورة ل200 نانومتر 200 نانومتر الزنك3N2 فيلم رقيقة. وبالمثل، فإن الكائن الأصفر في الداخل في الشكل 5C هو نمت 220 نانومتر ملغ3N2 فيلم رقيقة. الفيلم الأصفر شفاف إلى حد أنه من السهل قراءة النص ...

Discussion

وتشارك مجموعة متنوعة من الاعتبارات في اختيار ركائز وتحديد ظروف النمو التي تحسن الخصائص الهيكلية والإلكترونية للأفلام. يتم تسخين ركائز MgO في درجة حرارة عالية في الهواء (1000 درجة مئوية) لإزالة تلوث الكربون من السطح وتحسين النظام البلورية في سطح الركيزة. التنظيف بالموجات فوق الصوتية في الأسي?...

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

وقد دعم هذا العمل مجلس البحوث الطبيعية والهندسية في كندا.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
(100) MgOUniversity Wafer214018one side epi-polished
AcetoneFisher Chemical 17023999.8%
Argon laserLexel Laser00-137-124488 nm visible wavelength, 350 mW output power
Chopper Stanford Research system SR540 Max. Frequency: 3.7 kHz 
Lock-in amplifier Stanford Research system 37909DSP SR810, Max. Frequency: 100 kHz 
Magnesium UMCMG6P599.9999%
MBE systemVG SemiconV80H0016-2 SHT 1V80H-10
Methanol Alfa AesarL30U027Semi-grade 99.9%
NitrogenPraxair40221950199.998%
Oxygen Linde Gas200-14-00067> 99.9999%
Plasma sourceSVT AssociatesSVTA-RF-4.5PBNPBN, 0.11" Aperture, Specify Length: 12" – 20"
Si photodiode Newport2718818-UV Enhanced, 200 - 1100 nm
Zinc Alfa Aesar7440-66-699.9999%

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Wu, P., Tiedje, T. Molecular beam epitaxy growth and optical properties of Mg3N2 films. Applied Physics Letters. 113 (8), 082101.1-082101.4 (2018).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Núñez, C. G., et al. On the zinc nitride properties and the unintentional incorporation of oxygen. Thin Solid Films. 520 (6), 1924-1929 (2012).
  18. 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).
  19. Heavens, O. S. . Optical properties of thin solid films. , 46-48 (1955).
  20. 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).
  21. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

147 epitaxy II 3 V2 Zn3N2 Mg3N2

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved