Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg 3 N 2 and Zn 3 N 2 Thin Films Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg 3 N 2 and Zn 3 N 2 Thin Films Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg₃N₂ and Zn₃N₂ Thin Films Plasma-

Dans cette vidéo, nous montrons comment cultiver des films épitaxiques de nitrite de magnésium et de nitrite de zinc par épitaxie de faisceau moléculaire assisté par plasma, ou MBE pour faire court. Le nitrite de magnésium et le nitrite de zinc sont des matériaux semi-conducteurs composés II-V. Il s’agit d’une classe relativement inexplorée de semi-conducteurs.

Ils ont la structure en cristal anti-bixbyite, qui a 80 atomes dans la cellule cube classique. Les films sont cultivés dans un système VG V80 MBE. La chambre horizontale à gauche est la chambre de préparation et la chambre ronde à droite est la chambre de croissance où la croissance du film a lieu.

La serrure d’entrée de l’échantillon, située à l’extrémité gauche de la chambre de préparation. Le meilleur substrat que nous avons trouvé pour la croissance du nitrite de magnésium épitaxial et du nitrite de zinc est l’oxyde de magnésium à cristaux unique orienté 100. Les substrats carrés d’un centimètre sont d’abord placés sur un porte-échantillons de gaufrettes saphir avec côté poli vers le haut et annelés pendant neuf heures à 1000 degrés C.L’annealage à haute température enlève le carbone de la surface et reconstruit la structure cristalline de surface des substrats en cristal simples d’oxyde de magnésium.

Après l’annealage, les échantillons sont rincés à l’eau déionisée, bouillis en acétone pendant 30 minutes pour éliminer toute contamination organique au carbone de la manipulation, puis ils sont rincés à nouveau au méthanol et soufflés à sec avec de l’azote. La première étape de la croissance mbe est d’allumer l’eau de refroidissement pour les cellules de fusion et le criaire dans la chambre de croissance. Ensuite, nous entrageons le laser de surveillance de la croissance, l’alimentation RHEED, l’alimentation du générateur de plasma RF, et le système de micro-équilibre en cristal de quartz.

Les substrats d’oxyde de magnésium sont montés sur des porte-échantillons de molybdène de trois pouces de diamètre avec des pinces à ressort de tungstène. La première étape dans le chargement des échantillons dans le MBE est d’éteindre la pompe turbo et d’évacuer le verrou d’entrée rapide. La cassette du porte-échantillon est retirée du verrou d’entrée rapide et un nouvel échantillon chargé dans la cassette et la cassette est remis dans le verrou d’entrée rapide.

La pompe turbo est utilisée pour évacuer le verrou d’entrée rapide. Donc, nous avons l’habitude de dé-gazer le substrat dans la serrure d’entrée rapide à 100 degrés Celsius, degré Celsius, pendant 30 minutes. Et puis, transférez-le à la chambre de préparation pour le dé-gazage à 400 degrés Celsius pendant cinq heures.

Le porte-échantillon de dé-gaz est transféré par un mécanisme de chariot dans la chambre de croissance où il est chargé dans le manipulateur d’échantillon. L’échantillon est gazé dans le manipulateur à 750 degrés C pendant 30 minutes. Assurez-vous que l’eau de refroidissement est allumée dans le linceul cryo pour éviter la surchauffe.

Dans le cas de la croissance du nitrite de magnésium, la température du substrat est descendue à 330 degrés. La pression de la chambre de croissance devrait maintenant être inférieure à 10 à moins huit Torr. La tension sur le pistolet de diffraction d’électron à haute énergie de réflexion, ou RHEED pour faire court, est lentement augmentée à 15 kilovolts et le courant de réchauffeur de filament est placé à un ampli et demi.

Le support du substrat est tourné jusqu’à ce que le modèle de diffraction électronique montre l’alignement avec l’axe graphique cristallin principal du substrat et un modèle clair de diffraction d’électron à cristaux simples est visible. Les cellules de diffusion de type trois standard ou les cellules de diffusion à basse température sont utilisées pour le magnésium et le zinc. Les creusets ont été chargés avec 15 grammes et 25 grammes de magnésium de haute pureté et de zinc tiré, respectivement.

Les cellules de fusion source de zinc et de magnésium sont dé-gazées à 250 degrés pendant une heure avec leurs volets fermés. Normalement, cela se fait avant de charger le substrat dans le manipulateur. Après le chargement du substrat, nous chauffons la cellule de fusion de zinc jusqu’à 350 degrés C et la cellule de magnésium à 390 degrés C.Les cellules de fusion sont autorisées à se stabiliser pendant 10 minutes à leurs températures de fonctionnement avant d’ouvrir les volets.

Le moniteur de cristal de quartz rétractable est placé devant le substrat à l’intérieur de la chambre. Assurez-vous que le substrat est entièrement recouvert par le détecteur, de sorte qu’aucun métal n’est déposé sur le substrat. Entrez la densité du métal dans le contrôleur de moniteur de cristal de quartz, de sorte que le contrôleur puisse lire l’épaisseur du métal déposé sur le capteur de cristal de quartz.

Afin de calibrer le flux, nous ouvrons l’obturateur sur l’une des sources métalliques et permettons au flux métallique de l’une des cellules d’infusion de se déposer sur le capteur. L’épaisseur mesurée par le contrôleur augmentera linéairement avec le temps à mesure que le métal s’accumulera sur le capteur. En ajustant une ligne droite à l’épaisseur en fonction du temps, nous obtenons une mesure précise du flux métallique.

Une fois les mesures de flux terminées, fermez les volets des cellules d’infusion et rétractez le détecteur de moniteur de cristal de quartz de l’avant du porte-échantillon. Ce graphique montre la dépendance à la température d’un flux que la source métallique est mesurée à l’aide d’un moniteur de cristal de quartz. Les lignes droites sont fixées à une relation Arrhenius.

Le flux double approximativement pour chaque augmentation de 12 degrés de la température source. Éteignez le courant filamenteux et la haute tension sur le canon RHEED pour éviter les dommages au filament en présence d’une forte pression de gaz azoté dans la chambre de croissance. L’étape suivante consiste à démarrer la source plasmatique d’azote.

Ouvrez une vanne de gaz sur le cylindre à haute pression, puis ouvrez lentement la vanne de fuite jusqu’à ce que la pression d’azote dans la chambre de croissance atteigne trois à quatre fois 10 à la moins cinq Torr. Puis réglez la puissance sur l’alimentation RF de 13,56 MHz à 300 watts. Le plasma est commencé avec un allumeur sur la source plasmatique.

Lorsque le plasma a commencé, une lueur pourpre vif est visible depuis le port de vue à l’arrière de la source plasmatique. Ajustez le contrôle sur la boîte d’appariement des fréquences radio pour minimiser autant que possible la puissance réfléchissante. Une puissance réfléchie de moins de 15 watts est bonne.

Concentrez la lumière laser argon à longueur d’onde de 488 nanomètres hachée réfléchie à partir du substrat de la chambre de croissance sur la diode photo en silicone, de sorte qu’un signal électrique puisse être détecté par l’amplificateur de verrouillage. Ceci est accompli en ajustant l’angle du substrat en tournant le support de substrat autour de deux axes et en ajustant la position du détecteur de silicone et en concentrant l’objectif qui recueille la lumière réfléchie comme indiqué dans cette image. Un filtre laser est utilisé pour bloquer toute la lumière, sauf pour la lumière de 488 nanomètres du laser argon.

La sortie de diode photo est mesurée à l’aide d’un amplificateur de verrouillage et ce single est proportionnel à la réflectivité de la surface du substrat. Ouvrez l’obturateur d’une des sources métalliques. Enregistrez la réflectivité dépendante du temps avec un enregistreur de données contrôlé par ordinateur.

La croissance d’un film épitaxique produira un signal réfléchi oscillatoire associé à des interférences optiques à couches minces entre les surfaces avant et arrière du film. Lorsque les films de nitrite de magnésium sont d’abord sortis du MBE, ils sont jaunes, mais se fanent rapidement à une couleur blanchâtre. Pour protéger les films de l’oxydation et de l’air, il est recommandé de déposer une couche d’encapsulation d’oxyde de magnésium sur le dessus avant de sortir le film de la chambre de croissance pour protéger le film de l’oxydation lorsqu’il est exposé à l’air.

Ceci est particulièrement important pour le nitrite de magnésium et moins critique pour le nitrite de zinc. Afin de déposer une couche d’encapsulation d’oxyde de magnésium, fermez le gaz azoté et passez au gaz oxygéné et augmentez la pression de l’oxygène à 10 à moins cinq Torr. Pendant la croissance de la couche de plafonnement, nous réduisons la puissance RF à 250 watts.

Le plasma commence à une puissance RF inférieure avec de l’oxygène qu’avec de l’azote. Une fois que le plasma d’oxygène est en cours d’exécution, ouvrez l’obturateur sur la source de magnésium et de surveiller la réflectivité dépendante du temps pendant 10 minutes. Cela produira un film d’oxyde de magnésium d’environ 10 nanomètres d’épaisseur.

Une réflectivité optique des échantillons peut être modélisée avec cette équation. n2 est l’indice de réfraction du substrat d’oxyde de magnésium à 488 nanomètres, ce qui est égal à 1,75. Theta naught est l’angle de l’incident mesuré par rapport à la normale du substrat.

Et t est le temps pendant le processus de croissance. Les constantes optiques du film, n1 et k1, et le taux de croissance sont obtenus en adaptant la réflectivité en fonction du temps avec l’équation. Le carré jaune est un exemple du film en nitrite de magnésium recouvert d’oxyde de magnésium et le carré noir est un film de nitrite de zinc.

Le nitrite de magnésium est jaune parce qu’il a un écart de bande dans le visible, tandis que le nitrite de zinc est noir parce que son écart de bande est l’infrarouge. L’image sur la gauche est le modèle de diffraction électronique RHEED pour un substrat d’oxyde de magnésium nu avec le faisceau d’électrons aligné parallèlement à la direction 110. L’image du milieu est le modèle de diffraction d’un film de nitrite de zinc et l’image sur la droite est d’un film de nitrite de magnésium.

Ces résultats montrent que les structures cristallines des films déposés sont orientées dans le plan du substrat comme on pourrait s’y attendre pour les films épitaxiques. Cela montre ce qui arrive au modèle de diffraction des électrons lorsque vous faites pivoter le substrat d’oxyde de magnésium nu dans le manipulateur de l’échantillon. Ce graphique montre la réflectivité optique en fonction du temps pendant la croissance des films de nitrite de zinc et de nitrite de magnésium.

En adaptant la réflectivité en fonction du temps au modèle optique, vous pouvez extraire l’indice de réfraction, n, le coefficient d’extinction, k, et le taux de croissance, g, pour les films. La réflectivité diminue avec le temps dans le cas des films de nitrite de magnésium dus à la diffusion de la rugosité de surface, que nous avons modélisée mathématiquement par un amorti exponentiel. Dans cette vidéo, nous vous avons montré comment cultiver des films épitaxiques de magnésium et de nitrite de zinc par épitaxie à faisceau moléculaire assisté par plasma.

Un de nos résultats est que la mesure de la réflectivité optique des échantillons pendant qu’ils grandissent est un bon moyen de déterminer à la fois le taux de croissance et les constantes optiques du film. Malheureusement, notre matériel n’a pas montré de photoluminescence, que ce soit à température ambiante ou à basse température, il est donc nécessaire d’apporter d’autres améliorations dans la qualité du film. Des expériences dans notre laboratoire sur des échantillons de poudre fournissent un indice sur la façon dont cela pourrait être fait.

Les poudres de nitrite de zinc fabriquées en réagissant au zinc avec de l’ammoniac à haute température montrent une forte photoluminescence. Ceci suggère que l’utilisation de l’ammoniac au lieu du gaz azoté comme source d’azote pourrait être un moyen de fabriquer des matériaux avec des propriétés électroniques améliorées.