Crecimiento de la epitasa de haz molecular asistido por plasma de Mg3N2 y Zn3N2 Thin Films

Resumen

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.

Resumen

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 Zn₃N_2, respectivamente.

Introducción

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 Zn₃N_2,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 CaF_2, con uno de los f-sublattices fcc ....

Protocolo

1. Preparación del sustrato de MgO

NOTA: Para el crecimiento de la película delgada X₃N₂ (X - Zn y Mg) se emplearon sustratos cuadrados de cristal único orientados a un lado (100) (1 cm x 1 cm).

1. Recocido de alta temperatura
   1. Coloque el MgO en un portamuestras de obleas de zafiro limpio con el lado pulido orientado hacia arriba en un horno y recocido durante 9 h a 1.000 oC. Elevar la temperatura a 1000 oC durante un período de 10 minutos.
      NOTA: El recocido de alta temperatura elimina el carbono de la superficie y reconstruye la estructura de cristal de la superficie de los sustratos de cri....

Resultados

El objeto negro en el recuadro en la Figura 5B es una fotografía de una película delgada de 200 nm Zn₃N_2. Del mismo modo, el objeto amarillo en el recuadro en la Figura 5C es una película delgada de 220 nm Mg₃N₂ cultivada. La película amarilla es transparente en la medida en que es un texto fácil de leer colocado detrás de la película¹⁰.

Discusión

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.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
(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%