מולקולרית בסיוע מולקולרי הקרן הצמיחה הגידול של Mg3n2 ו Zn3n2 סרטים דקים

Summary

מאמר זה מתאר את הצמיחה של הסרטים האפיציריים של Mg₃n₂ ו zn₃N₂ על mgo מצעים על ידי בסיוע פלזמה מולקולרי קרן הקורה עם N₂ גז כמו מקור החנקן וניטור הצמיחה האופטית.

Abstract

מאמר זה מתאר הליך לגידול Mg₃n₂ ו-zn₃n₂ סרטים על-ידי כאפיאקטיות בסיוע פלזמה של קרן מולקולרית (mbe). הסרטים גדלים על 100 מוכוונת MgO מצעים עם N₂ גז כמו מקור החנקן. השיטה להכנת מצעים ותהליך הגדילה של MBE מתוארים. הכיוון ואת הסדר הגבישי של משטח המצע והסרט מנוטרים על ידי השתקפות אנרגיה גבוהה עקיפה של אלקטרון (RHEED) לפני ובמהלך הצמיחה. השתקפות השתקפות של משטח המדגם נמדדת במהלך הצמיחה עם לייזר Ar-ion עם אורך גל של 488 ננומטר. על-ידי התאמת התלות הזמנית של ההשתקפות למודל מתמטי, נקבע המדד השבירה, מקדם ההכחדה האופטי וקצב הצמיחה של הסרט. פלופי המתכת נמדדים באופן עצמאי כפונקציה של הטמפרטורות בתאי האפיתוך באמצעות צג גביש קוורץ. שיעורי צמיחה אופייני הם 0.028 ננומטר/s בטמפרטורות הצמיחה של 150 ° צ' ו 330 ° צ' עבור Mg₃n₂ ו zn₃n₂ סרטים, בהתאמה.

Introduction

II₃-V₂ חומרים הם מחלקה של מוליכים למחצה שקיבלו תשומת לב יחסית מן הקהילה מחקר מוליך למחצה לעומת III-V ו-II-VI מוליכים למחצה¹. Mg ו Zn nitrides, Mg₃n₂ ו-zn₃N₂, הם אטרקטיבי עבור יישומי הצרכן משום שהם מורכבים אלמנטים שונים ולא רעילים, מה שהופך אותם זול וקל למחזר בניגוד לרוב III-V ו-II-VI מוליכים למחצה מורכבים. הם מציגים מבנה אנטי-ביקסוניט בקריסטל דומה למבנה של קפה₂ , עם אחד האנשים האחרים הנמצאים בשטח מאוכלס בחצי^,3,4,5. הם שניהם הפער להקה ישירה חומרים⁶, מה שהופך אותם מתאימים יישומים אופטיים^7,8,9. פער הלהקה של Mg₃N₂ הוא בספקטרום גלוי (2.5 eV)¹⁰, ואת הפער הלהקה של zn₃N₂ הוא בסמוך-אינפרא אדום (1.25 eV)¹¹. כדי לחקור את המאפיינים הפיזיים של חומרים אלה ואת הפוטנציאל שלהם עבור יישומי המכשיר האלקטרוני והאופטי, זה קריטי כדי להשיג איכות גבוהה, סרטי קריסטל יחיד. רוב העבודה על חומרים אלה עד היום בוצעה על הסרטים אבקות או פוליגביניים שנעשו על ידי התזה תגובתי^{12,13,14,15,16,} . ^{שבע עשרה}

מולקולרית הקרן (MBE) היא שיטה מפותחת ומגוונת עבור הצומח בודד קריסטל מתחם סרטים מוליכים למחצה¹⁸ כי יש פוטנציאל להניב חומרים באיכות גבוהה באמצעות סביבה נקייה מקורות היסודות טוהר גבוהה. בינתיים, MBE פעולה תריס מהירה מאפשר שינויים בסרט בסולם השכבות האטומי ומאפשר בקרת עובי מדויק. נייר זה מדווח על התפתחותם של Mg₃n₂ ו zn₃n₂ הסרט האפיציאני ב-mgo מצעים על ידי פלזמה, באמצעות הטוהר הגבוה zn ו-Mg כמו מקורות אדים ו-N₂ גז כמו מקור החנקן.

Protocol

1. MgO הכנה מצע

הערה: מסחרי חד צדדי אפינפרין-מלוטש (100) מונחה גביש יחיד מרובע מצעים מרובעים (1 ס מ x 1 ס מ) היו מועסקים עבור X₃N₂ (x = Zn ו-Mg) סרט דק הצמיחה.

1. חום בטמפרטורה גבוהה
   1. מניחים את MgO על מנשא נקי ספיר וופל עם הצד מלוטש פונה כלפי מעלה על הכבשן ולאחר 9 h ב 1,000 ° c. העלה את הטמפרטורה ל 1000 ° c מעל לתקופה של 10 דקות.
      הערה: טמפרטורה גבוהה מסיר את הפחמן מפני השטח ומשחזר את מבנה גביש השטח של MgO באחד מצעים גביש.
   2. מצננים את מצעים MgO לטמפרטורת החדר (RT).
2. ניקוי מצע
   1. לאסוף את מצעים MgO הנקוע ולשטוף את המים המלא בגביע נקי בורוסיליקט זכוכית.
   2. מרתיחים את מצעים MgO ב 100 מ ל של אצטון ב 250 mL בורוסיליקט זכוכית גביע במשך 30 דקות כדי להסיר זיהום פחמן אורגניים מטיפול.
      הערה: כסה את הגביע ואל תאפשר לאצטון לרתוח יבש.
   3. לנקז את אצטון ולשטוף את מצעים MgO ב 50 mL של מתנול.
   4. לנשוף לייבש את מצעים עם גז חנקן, ואז לאחסן את יבש, מצעים נקיים במגש שבב נקי.

2. מבצע של VG V80 MBE

1. פתחו את המים הצוננים לחדר ההכנה, הקריומעטה בחדר הגידול (ראו איור 1), תאי היתוך, וחיישן קוורץ מיקרו-איזון גבישי.
2. הפעל את לייזר Ar-ion עם אורך גל של 488 ננומטר. אור הלייזר מובא לחדר MBE עם סיב אופטי מהלייזר, הממוקם בחדר אחר.
3. הפעל את ההשתקפות אנרגיה גבוהה עקיפה אקדח (RHEED), 13.56 תדר רדיו Mhz (rf) פלזמה גנרטור, ו קוורץ גביש מיקרו איזון (QCM) מערכת.

3. טעינת מצע

1. מנעול כניסה מהירה
   1. הר המצע MgO נקי על המחזיק לדוגמה מוליבדן (איור 2A) באמצעות קליפים באביב טונגסטן.
   2. כבה את משאבת טורבו על המנעול כניסה מהירה (FEL) ולפרוק את התא FEL עם חנקן. פתח את ה-FEL כשהלחץ התאי. מגיע ללחץ אטמוספרי
   3. הסר את הקלטת של מחזיק הדוגם מתוך ה-FEL וטען את מחזיק הדגימה עם המצע לתוך הקלטת.
   4. טען את הקלטת חזרה ל-FEL והפעל את משאבת הטורבו בחזרה.
   5. לחכות הלחץ ב FEL לרדת כדי 10^-6 Torr.
   6. הגדל את הטמפרטורה של נעילת הכניסה המהירה ל 100 ° c על פני תקופה של 5 דקות ודגה את מצעים עם בעלי עבור 30 דקות במנעול כניסה מהירה.
2. ודא שהלחץ במנעול הכניסה המהיר הוא מתחת ל^-10-7 Torr לפני פתיחת שסתום הוואקום אל חדר ההכנה. העבר את המחזיק באמצעות מנגנון העברת ההרעדה לחדר ההכנה, ולאחר מכן העלה את תחנת הדלק עד 400 ° צ' ולאפשר לו לדגה עבור 5 h.
3. להעביר את מחזיק הדגל על ידי מנגנון העברת העגלה לדגם מניפולטור בחדר הגידול. להגדיל את טמפרטורת המצע עד 750 ° צ' על פני תקופה של 30 דקות ולאפשר את המדגם כדי outgas של מניפולטור במשך 30 דקות נוספות. ודא שהמים הצוננים מופעלים בקריומעטה כדי למנוע התחממות יתר של הקריומעטה.
4. שחרר את הטמפרטורה של המצע עד 150 ° צ' עבור Zn₃n₂ הסרט צמיחה ו 330 ° c עבור Mg₃n הסרט צמיחה באמצעות הזוג התרמוטרטור לדוגמה כדי למדוד את טמפרטורת המדגם.
5. באתרו
   1. הגדר את המתח על האקדח אלקטרון כדי 15 kV ו פילמנט הנוכחי 1.5 A פעם את הלחץ בתא הצמיחה הוא מתחת 1 x 10^-7 Torr.
   2. סובב את מחזיק המצע עד 1) האקדח אלקטרון מיושר לאורך ציר פגמים בגבישים העיקרון של המצע 2) דפוס ברור הגביש האלקטרוני עקיפה ברורה הוא גלוי.
   3. צלם תמונה של תבנית RHEED ושמור את התמונה.
6. סגרו את התריס על התא האפיתוך ועצרו את זרימת החנקן. למדוד את דפוס RHEED עבור הסרט הופקד כאשר הלחץ הקאמרי הוא מתחת 10^-7 Torr.

4. מדידות השטף מתכת

1. השתמש בקבוצה רגילה סוג III בתאי היתוך או טמפרטורה נמוכה אפוזיה תאים עבור Mg ו zn.
2. לטעון את הצלבים עם 15 גרם ו -25 גרם של ג ' ל הטוהר גבוהה וירה Zn, בהתאמה.
3. כאשר קאמרית הצמיחה השיגה ואקום של 10^-8 Torr או טוב יותר, ולפני טעינת מחזיק המצע, outgas מקור Zn או Mg בתאי המקור עד 250 ° צ' בקצב של ~ 20 ° c/מינימום ולאפשר לו להגזים עבור 1 h עם התריסים סגורים.
4. לאחר המצע נטען לתוך מניפולטור מדגם, החום התאים zn ו/או Mg אפוזיה ל 350 ° צ' או 390 ° c בהתאמה, בקצב השיפוע של ~ 10 ° c/min, ולחכות 10 דקות כדי שיתייצב עם התריסים סגורים.
5. השתמש בצג גביש הקוורץ הנשלף כדי למדוד את שטף המתכת. מקמו את חיישן גביש הקוורץ מול המצע שבתוך החדר. ודא כי המצע מכוסה במלואו על ידי הגלאי כך שאין מתכת מופקד על מצע.
6. קלט את צפיפות מתכת הריבית (ρ_Zn = 7.14 g/ס"מ³, ρ_Mg = 1.74 g/cm³) לתוך צג גביש קוורץ (qcm) בקר.
7. כדי לכייל את שטף, לפתוח את התריס עבור אחד מקורות מתכת ולאפשר את התא האפיתוך להפקיד על החיישן. מערכת QCM ממירה את המדידה הפנימית של מסה עד עובי.
8. לחשב את שטף היסודות מן השיפוע של עובי הגוברת כפונקציה של זמן המוצג על QCM. שיעור העלייה של עובי מעל כמה דקות הוא פרופורציונלי שטף היסודות. בשני מקרים לדוגמה, שטף Zn של 0.45 ננומטר/s ו השטף Mg של 1.0 ננומטר/s מתקבלים.
9. לשנות את הטמפרטורה של התאים אפוזיה וחזור על שלב 4.8 אם התלות בטמפרטורה של שטף נדרש. התלות טמפרטורה נמדד של Mg ו Zn השטף מוצג באיור 3 עבור מערכת זו צמיחה ספציפית.
10. כאשר מדידות השטף הושלמו, לסגור את התריסים על התאים האפופיוז ולמשוך את חיישן גביש קוורץ.

5. פלזמה חנקן

1. לכבות את הזרם חוט הלהט מתח גבוה על האקדח RHEED כדי למנוע נזק בנוכחות של לחץ גבוה N₂ גז בחדר הגידול.
2. פתח את שסתום הגז על הלחץ הגבוה N₂ גליל.
3. לאט לפתוח את שסתום דליפה לאט עד לחץ החנקן בחדר הגידול מגיע 3 x 10^-5-4 x 10^-5 Torr.
4. הגדר את הכוח של גנרטור פלזמה כדי 300 W.
5. להצית את הפלזמה עם המצת. או על מקור הפלזמה זוהר סגול בהיר יהיה גלוי מן האשנב כאשר פלזמה מתלקח, כפי שמוצג באיור 2B.
6. להתאים את הפקד על תיבת התאמת rf כדי למזער את הכוח משתקף ככל האפשר. כוח משתקף של פחות מ 15 W הוא טוב; במקרה זה, הכוח המשתקף מופחת ל-12 ואט.

6. באתרו, פיזור אור לייזר

1. למקד את קצוצים 488 ננומטר אור לייזר ארגון משתקף המצע בחדר הגידול על פוטודיודה Si כך שאות חשמלי ניתן לזהות על ידי מגבר מנעול. זה מושגת על ידי התאמת זווית המצע על ידי סיבוב מחזיק המצע סביב שני צירים והתאמת המיקום של גלאי סי, ואז התמקדות העדשה האוספת את האור המשתקף כפי שמוצג באיור 4.
2. פתח את התריס של אחד ממקורות המתכת.
3. הקלט את ההשתקפות התלויה בזמן עם לוגר נתונים מבוקר מחשב. צמיחת הסרט האפיציאני יפיק אות משתקף עם הזמן הקשור הפרעות סרט דק בין הקדמי והאחורי של הסרט.
4. כדי להגן על הסרט מפני חמצון באוויר, הפקדה שכבת אנקפסולציה כדי להגן על הסרט מפני חמצון באוויר. זה חשוב במיוחד עבור Mg₃N₂ אשר מחמצן במהירות באוויר.
5. כדי להפקיד שכבת עטיפת משנה MgO, לסגור את הגז חנקן, לעבור לגז חמצן, חזור על שלב 5.3, ולהגדיל את לחץ החמצן ל 1 x 10^-5 Torr.
6. הגדר את העוצמה של גנרטור פלזמה כדי 250 W וחזור על שלב 5.5. הפלסמה מתחילה בכוח rf נמוך. עם גז חמצן מאשר עם גז חנקן
7. פתח את התריס על מקור Mg, וחזור על שלב 6.4 עבור 5-10 דקות.
   הערה: זה יפיק סרט MgO כי הוא על 10 ננומטר עבה. הסרט Mg₃N₂ סרטים הם צהובים אבל לדעוך במהירות לצבע לבנבן בתוך 20 עם חשיפה לאוויר. כתוצאה מכך, שכבת אנקפסולציה נדרשת כדי לאפשר זמן למדידות בסרטים לפני שהם מתחמצן לאחר ההסרה מחדר הוואקום.
8. לסגור את שסתומי הגז, לכבות את הלייזר, ולהוריד את המצע ואת טמפרטורת התאים ל ~ 25 ° c בתוך 30 דקות. כבה את המים הצוננים ואת. כוח הרדיו למקור הפלזמה
9. לאחר הצמיחה כמה מופעל, החלונות האופטיים להיות מכוסים במתכת. להסיר את המתכת על ידי לעטוף את החלון ברדיד אלומיניום ולחמם אותו עם החימום עד 400 ° צ' וקצב טמפרטורה של ~ 15 ° c/min או איטי יותר במהלך סוף השבוע.

7. קביעת קצב הצמיחה

1. השתמש במשוואה 1 להלן כדי לתאר את ההשתקפות האופטית של הדוגמה^11,19.
   1
   איפה
   (1-a)
   (1-ב)
   (1-c)
   (1-d)
2. והיכן: n₂ = 1.747 הוא מדד השבירה של המצע mgo באורך הגל של 488 ננומטר; θ₀ היא זווית קרן האירוע נמדד ביחס למשטח המצע נורמלי; ו- t הוא הזמן. הקבועים האופטיים של הסרט (n₁ ו- k₁) וקצב הגדילה מתקבלים על ידי התאמת ההשתקפות כפונקציה של זמן במשוואה 1.

תוצאות

האובייקט השחור בכניסה באיור 5B הוא תצלום של כמבוגר 200 ננומטר zn₃N₂ סרט דק. באופן דומה, האובייקט הצהוב בכניסה באיור 5C הוא כמו גדל 220 nm Mg₃N₂ סרט דק. הסרט הצהוב הוא שקוף במידה שהוא קל לקריאה טקסט הממוקם מאחורי הסרט¹⁰

Discussion

מגוון שיקולים מעורב בבחירת מצעים והקמת תנאי הצמיחה הממטב את התכונות המבבניות והאלקטרוניות של הסרטים. מצעים MgO מחוממים בטמפרטורה גבוהה באוויר (1000 ° c) כדי להסיר את זיהום הפחמן מפני השטח ולשפר את הסדר הגבישי במשטח המצע. ניקוי אולטרה סאונד ב אצטון היא שיטה חלופית טובה כדי לנקות את מצעים MgO.

Materials

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%