Plasmaunterstütztes MolekularstrahlepitaxieWachstum von Mg₃N2 und Zn₃N₂ Dünnschichten

In diesem Video zeigen wir, wie epitaxiale Filme aus Magnesiumnitrit und Zinknitrit durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxietaxi, kurz MBE, anbauen. Magnesiumnitrit und Zinknitrit sind II-V-Verbindungshalbleitermaterialien. Dies ist eine relativ unerforschte Klasse von Halbleitern.

Sie haben die Anti-Bixbyit-Kristallstruktur, die 80 Atome in der herkömmlichen Würfeleinheitszelle hat. Die Folien werden in einem VG V80 MBE System angebaut. Die horizontale Kammer auf der linken Seite ist die Vorbereitungskammer und die runde Kammer auf der rechten Seite ist die Wachstumskammer, in der das Filmwachstum stattfindet.

Das Probeneingangsschloss, das sich am linken Ende der Vorbereitungskammer befindet. Das beste Substrat, das wir für den Anbau von epitaxialem Magnesiumnitrit und Zinknitrit gefunden haben, ist 100-orientiertes Einkristall-Magnesiumoxid. Die ein Zentimeter großen quadratischen Substrate werden zuerst auf einem Saphir-Wafer-Probenträger mit polierter Seite nach oben platziert und neun Stunden lang bei 1.000 Grad C geglüht. Hochtemperaturglühen entfernt den Kohlenstoff von der Oberfläche und rekonstruiert die Oberflächenkristallstruktur der Magnesiumoxid-Einkristallsubstrate.

Nach dem Glühen werden die Proben in entionisiertem Wasser abgekocht, 30 Minuten lang in Aceton gekocht, um jegliche organische Kohlenstoffkontamination aus der Handhabung zu entfernen, dann werden sie wieder in Methanol abspült und mit Stickstoff trocken geblasen. Der erste Schritt im MBE-Wachstum besteht darin, das Kühlwasser für die Fusionszellen und das Kryotuch in der Wachstumskammer einzuschalten. Dann schalten wir den Wachstumsüberwachungslaser, das RHEED-Netzteil, die HF-Plasmagenerator-Stromversorgung und das Quarzkristall-Mikro-Balance-System ein.

Magnesiumoxid-Substrate sind auf Molybdän-Probenhaltern mit drei Zoll Durchmesser mit Wolframfederclips montiert. Der erste Schritt beim Laden der Proben in den MBE besteht darin, die Turbopumpe auszuschalten und das schnelle Einlassschloss zu entlüften. Die Probenhalterkassette wird aus dem Schnelleinstiegsschloss entfernt und ein neues Sample in die Kassette eingelegt und die Kassette wieder in das Schnelleintrittsschloss eingelegt.

Die Turbopumpe wird verwendet, um das schnelle Einfahrtsschloss zu evakuieren. So entgasen wir das Substrat in der Schnelleinfahrtssperre in der Regel 30 Minuten lang bei 100 Grad, Celsius. Und dann, übertragen Sie es in Vorbereitungskammer für entgasungsmittel bei 400 Celsius Grad für fünf Stunden.

Der Entgasprobenhalter wird durch einen Trolleymechanismus in die Wachstumskammer geleitet, wo er in den Probenmanipulator geladen wird. Die Probe wird 30 Minuten lang im Manipulator bei 750 Grad C ausgasen. Stellen Sie sicher, dass das Kühlwasser im Kryotuch eingeschaltet ist, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Bei Magnesiumnitritwachstum wird die Temperatur des Substrats auf 330 Grad hochgeprorgt. Der Wachstumskammerdruck sollte nun unter 10 bis minus acht Torr liegen. Die Spannung an der Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugungspistole, kurz RHEED, wird langsam auf 15 Kilovolt erhöht und der Filamentheizstrom auf eineinhalb Ampere eingestellt.

Der Substrathalter wird gedreht, bis das Elektronenbeugungsmuster eine Ausrichtung mit der Prinzip-Kristall-Grafikachse des Substrats aufweist und ein klares Einkristall-Elektronenbeugungsmuster sichtbar ist. Standardgruppe drei Typ Diffusionszellen oder Niedertemperatur-Diffusionszellen werden für Magnesium und Zink verwendet. Die Tiegel wurden mit 15 Gramm bzw. 25 Gramm hochreinem Magnesium- und Zinkschuss beladen.

Die Zink- und Magnesiumquellen-Fusionszellen werden eine Stunde lang bei 250 Grad ausgasen, ihre Rollläden geschlossen. Normalerweise geschieht dies vor dem Laden des Substrats in den Manipulator. Nach dem Beladen des Substrats erhitzen wir die Zinkfusionszelle auf 350 Grad C und die Magnesiumzelle auf 390 Grad C. Die Fusionszellen dürfen sich bei ihren Betriebstemperaturen 10 Minuten lang stabilisieren, bevor sie die Rollläden öffnen.

Der versenkbare Quarzkristallmonitor befindet sich vor dem Substrat in der Kammer. Stellen Sie sicher, dass das Substrat vollständig vom Detektor abgedeckt ist, so dass kein Metall auf dem Substrat abgelagert wird. Geben Sie die Dichte des Metalls in den Quarzkristallmonitor-Controller ein, damit der Regler die Dicke des abgelagerten Metalls auf dem Quarzkristallsensor auslesen kann.

Um den Fluss zu kalibrieren, öffnen wir den Verschluss auf einer der Metallquellen und lassen den Metallfluss von einer der Infusionszellen auf dem Sensor ablagern. Die vom Regler gemessene Dicke nimmt mit der Zeit linear zu, wenn sich das Metall auf dem Sensor aufbaut. Durch die Anpassung einer geraden Linie an die Dicke als Funktion der Zeit erhalten wir eine genaue Messung des Metallflusses.

Sobald die Flussmessungen abgeschlossen sind, schließen Sie die Rollläden an den Infusionszellen und ziehen Sie den Quarzkristallmonitordetektor von der Vorderseite des Probenhalters ein. Diese Grafik zeigt die Temperaturabhängigkeit eines Flusses, dass die Metallquelle mit einem Quarzkristallmonitor gemessen wird. Die geraden Linien sind an einer Arrhenius-Beziehung befestigt.

Der Fluss mittelst sich ungefähr für jeden 12 Grad Anstieg der Quelltemperatur. Schalten Sie den Filamentstrom und die Hochspannung an der RHEED-Pistole aus, um Schäden am Filament in Gegenwart eines hohen Stickstoffgasdrucks in der Wachstumskammer zu verhindern. Der nächste Schritt besteht darin, die Stickstoffplasmaquelle zu starten.

Öffnen Sie ein Gasventil am Hochdruckzylinder und öffnen Sie dann langsam das Leckventil, bis der Stickstoffdruck in der Wachstumskammer drei- bis viermal 10 bis minus fünf Torr erreicht. Stellen Sie dann die Stromversorgung der 13,56 MHz HF-Stromversorgung auf 300 Watt ein. Das Plasma wird mit einem Zünder an der Plasmaquelle gestartet.

Wenn das Plasma begonnen hat, ist ein helles violettes Leuchten vom Ansichtsportanblick auf der Rückseite der Plasmaquelle sichtbar. Passen Sie die Steuerung an der Hochfrequenz-Matching-Box an, um die Reflexionsleistung so weit wie möglich zu minimieren. Eine reflektierte Leistung von weniger als 15 Watt ist gut.

Fokussieren Sie das gehackte 488 Nanometer Wellenlängen-Argonlaserlicht, das vom Substrat in der Wachstumskammer reflektiert wird, auf die Silikon-Fotodiode, so dass ein elektrisches Signal vom Einsperrverstärker erkannt werden kann. Dies wird erreicht, indem der Winkel des Substrats angepasst wird, indem der Substrathalter um zwei Achsen rotiert und die Position des Silikondetektors und die Fokussierungslinse, die das reflektierte Licht sammelt, wie in diesem Bild gezeigt, angepasst wird. Ein Laserlinienfilter wird verwendet, um das gesamte Licht mit Ausnahme des 488 Nanometer Lichts des Argonlasers zu blockieren.

Der Lichtdiodenausgang wird mit einem Einsperrverstärker gemessen und dieser ist proportional zur Reflektivität der Oberfläche des Substrats. Öffnen Sie den Verschluss einer der Metallquellen. Zeichnen Sie die zeitabhängige Reflektivität mit einem computergesteuerten Datenlogger auf.

Das Wachstum einer epitaxialen Folie erzeugt ein oszillierendes reflektiertes Signal, das mit optischen Verdronierungen zwischen vorderer und hinterer Oberfläche des Films verbunden ist. Wenn die Magnesiumnitritfolien zuerst aus dem MBE entnommen werden, sind sie gelb, verblassen aber schnell zu einer weißlichen Farbe. Um die Folien vor Oxidation und Luft zu schützen, wird empfohlen, eine Verkapselungsschicht aus Magnesiumoxid oben abzulagern, bevor der Film aus der Wachstumskammer genommen wird, um den Film vor Oxidation zu schützen, wenn er der Luft ausgesetzt wird.

Dies ist besonders wichtig für Magnesiumnitrit und weniger kritisch für Zinknitrit. Um eine Magnesiumoxid-Verkapselungsschicht abzulegen, schließen Sie das Stickstoffgas und schalten Sie auf Sauerstoffgas um und erhöhen Sie den Druck des Sauerstoffs auf 10 auf die minus fünf Torr. Während des Wachstums der Verschlussschicht reduzieren wir die HF-Leistung auf 250 Watt.

Das Plasma beginnt mit einer geringeren HF-Leistung mit Sauerstoff als mit Stickstoff. Sobald das Sauerstoffplasma läuft, öffnen Sie den Verschluss an der Magnesiumquelle und überwachen Sie die zeitabhängige Reflektivität 10 Minuten lang. Dadurch wird ein Etwa 10 Nanometer dicker Magnesiumoxidfilm hergestellt.

Mit dieser Gleichung kann eine optische Reflektivität der Proben modelliert werden. n2 ist der Brechungsindex des Magnesiumoxidsubstrats bei 488 Nanometern, was 1,75 entspricht. Theta naught ist der Winkel des Vorfalls, der in Bezug auf das Substrat normal gemessen wird.

Und t ist Zeit während des Wachstumsprozesses. Die optischen Konstanten des Films, n1 und k1, und die Wachstumsrate werden durch Anpassung der Reflektivität als Funktion der Zeit an die Gleichung erreicht. Das gelbe Quadrat ist ein Beispiel für den Mit Magnesiumoxid verkappten Magnesiumnitritfilm und das schwarze Quadrat ist ein Zinknitritfilm.

Das Magnesiumnitrit ist gelb, weil es einen Bandspalt im Sichtbaren hat, während das Zinknitrit schwarz ist, weil sein Bandspalt das Infrarot ist. Das Bild auf der linken Seite ist das RHEED-Elektronenbeugungsmuster für ein nacktes Magnesiumoxidsubstrat mit dem Elektronenstrahl, der parallel zur 110-Richtung ausgerichtet ist. Das mittlere Bild ist das Beugungsmuster eines Zinknitritfilms und das Bild rechts aus einem Magnesiumnitritfilm.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kristallstrukturen der abgelagerten Filme in der Ebene des Substrats ausgerichtet sind, wie wir es für epitaxiale Filme erwarten würden. Dies zeigt, was mit dem Elektronenbeugungsmuster geschieht, wenn Sie das nackte Magnesiumoxidsubstrat im Probenmanipulator drehen. Diese Grafik zeigt die optische Reflektivität als Funktion der Zeit während des Wachstums von Zinknitrit- und Magnesiumnitritfilmen.

Indem Sie die Reflektivität als Funktion der Zeit an das optische Modell anpassen, können Sie den Index der Brechung, n, des Aussterbekoeffizienten, k und der Wachstumsrate, g, für die Filme extrahieren. Die Reflektivität sinkt bei den Magnesiumnitritfilmen mit der Zeit aufgrund der Oberflächenrauheitsstreuung, die wir mathematisch durch ein gedämpftes Exponential modelliert haben. In diesem Video haben wir Ihnen gezeigt, wie Sie epitaxiale Magnesium- und Zinknitritfolien durch plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxietaxie anbauen.

Eines unserer Ergebnisse ist, dass die Messung der optischen Reflektivität der Proben während des Wachstums eine gute Möglichkeit ist, sowohl die Wachstumsrate als auch die optischen Konstanten des Films zu bestimmen. Leider zeigte unser Material keine Photolumineszenz, weder bei Raumtemperatur noch bei niedriger Temperatur, so dass es notwendig ist, die Filmqualität weiter zu verbessern. Experimente in unserem Labor an Pulverproben geben einen Hinweis darauf, wie dies geschehen könnte.

Zinknitritpulver, die durch Reaktion von Zink mit Ammoniak bei hohen Temperaturen hergestellt werden, zeigen eine starke Photolumineszenz. Dies deutet darauf hin, dass die Verwendung von Ammoniak anstelle von Stickstoffgas als Stickstoffquelle eine Möglichkeit sein könnte, Material mit verbesserten elektronischen Eigenschaften herzustellen.