Crescita Epitaxy del fascio molecolare assistita dal plasma di Mg₃N₂ e_{n 3}N₂ Thin Films

In questo video, mostriamo come coltivare pellicole epitassiali di nitrito di magnesio e nitrito di zinco per estosse del fascio molecolare assistito dal plasma, o MBE in breve. Nitrito di magnesio e nitrito di zinco sono materiali semiconduttori composti II-V. Questa è una classe relativamente inesplorato di semiconduttori.

Hanno la struttura cristallina anti-bixbyite, che ha 80 atomi nella cella convenzionale dell'unità cubo. I film sono coltivati in un sistema VG V80 MBE. La camera orizzontale a sinistra è la camera di preparazione e la camera rotonda a destra è la camera di crescita in cui avviene la crescita del film.

Blocco di ingresso del campione, situato all'estremità sinistra della camera di preparazione. Il miglior substrato che abbiamo trovato per la coltivazione di nitrito di magnesio epitassiale e nitrito di zinco è l'ossido di magnesio monocristalio orientato a 100. I substrati quadrati di un centimetro vengono prima posizionati su un supporto per campioni di wafer di zaffiro con lato lucido verso l'alto e ricotto per nove ore a 1.000 gradi C.La ricottura ad alta temperatura rimuove il carbonio dalla superficie e ricostruisce la struttura cristallina superficiale dei singoli substrati cristallini dell'ossido di magnesio.

Dopo la ricottura, i campioni vengono risciacquati in acqua deionizzata, bolliti in acetone per 30 minuti per rimuovere qualsiasi contaminazione organica da carbonio dalla manipolazione, quindi vengono risciacquati di nuovo in metanolo e soffiati asciutti con azoto. Il primo passo nella crescita MBE è quello di accendere l'acqua di raffreddamento per le cellule di fusione e il crio-sudario nella camera di crescita. Quindi accendiamo il laser di monitoraggio della crescita, l'alimentatore RHEED, l'alimentatore del generatore di plasma RF e il sistema di micro bilanciere in cristallo di quarzo.

I substrati di ossido di magnesio sono montati su portacampioni di molibdeno di diametro di tre pollici con clip a molla di tungsteno. Il primo passo per caricare i campioni nel MBE è spegnere la pompa turbo e sfiatare il blocco di ingresso rapido. La cassetta portacampioni viene rimossa dal blocco di ingresso rapido e un nuovo campione caricato nella cassetta e la cassetta viene rimetteta nel blocco di ingresso rapido.

La pompa turbo viene utilizzata per evacuare il blocco di ingresso rapido. Quindi di solito de-gasiamo il substrato nel blocco di ingresso veloce a 100 gradi, grado Celsius, per 30 minuti. E poi, trasferirlo alla camera di preparazione per la de-gassificazione a 400 Gradi Celsius per cinque ore.

Il portacampioni de-gas viene trasferito da un meccanismo del carrello nella camera di crescita dove viene caricato nel manipolatore del campione. Il campione viene fuori gassato nel manipolatore a 750 gradi C per 30 minuti. Assicurarsi che l'acqua di raffreddamento sia accesa nel sudario del crio per evitare il surriscaldamento.

Nel caso della crescita del nitrito di magnesio, la temperatura del substrato viene dilagata fino a 330 gradi. La pressione della camera di crescita dovrebbe ora essere inferiore a 10 a meno otto Torr. La tensione sulla pistola di diffrazione elettronica ad alta energia di riflessione, o RHEED in breve, viene lentamente aumentata a 15 kilovolt e la corrente del riscaldatore del filamento è impostata a un amplificatore e mezzo.

Il supporto del substrato viene ruotato fino a quando il modello di diffrazione elettronica mostra l'allineamento con il principale asse grafico cristallino del substrato e un chiaro modello di diffrazione elettronica a cristallo singolo è visibile. Le cellule standard di diffusione di gruppo tre tipi o le celle a diffusione a bassa temperatura vengono utilizzate per magnesio e zinco. I crogioli sono stati caricati rispettivamente con 15 grammi e 25 grammi di magnesio ad alta purezza e colpo di zinco.

Le celle di fusione a sorgente di zinco e magnesio vengono fuori gassate a 250 gradi per un'ora con le persiane chiuse. Normalmente questo viene fatto prima di caricare il substrato nel manipolatore. Dopo il caricamento del substrato, riscrittiamo la cella di fusione dello zinco fino a 350 gradi C e la cella di magnesio a 390 gradi C.Le celle di fusione sono autorizzate a stabilizzarsi per 10 minuti alle loro temperature di esercizio prima di aprire le persiane.

Il monitor a cristalli di quarzo retrattile è posizionato davanti al substrato all'interno della camera. Assicurarsi che il substrato sia completamente coperto dal rivelatore, in modo che nessun metallo sia depositato sul substrato. Inserire la densità del metallo nel controller del monitor in cristallo di quarzo, in modo che il controller possa leggere lo spessore del metallo depositato sul sensore di cristallo di quarzo.

Per calibrare il flusso, apriamo l'otturatore su una delle sorgenti metalliche e permettiamo al flusso metallico da una delle celle di infusione di depositarsi sul sensore. Lo spessore misurato dal controller aumenterà linearmente con il tempo man mano che il metallo si accumula sul sensore. Adattando una linea retta allo spessore in funzione del tempo, otteniamo una misurazione accurata del flusso metallico.

Una volta completate le misurazioni del flusso, chiudere le persiane sulle celle di infusione e ritrarre il rilevatore di monitor di cristallo di quarzo dalla parte anteriore del portacampioni. Questo grafico mostra la dipendenza dalla temperatura di un flusso che la sorgente metallica viene misurata con un monitor di cristallo di quarzo. Le linee rette sono fissate a una relazione di Arrhenius.

Il flusso raddoppia approssimativamente per ogni aumento di 12 gradi della temperatura della sorgente. Spegnere la corrente del filamento e l'alta tensione sul cannone RHEED per evitare danni al filamento in presenza di un'elevata pressione del gas azoto nella camera di crescita. Il prossimo passo è iniziare la fonte di plasma di azoto.

Aprire una valvola a gas sul cilindro ad alta pressione, quindi aprire lentamente la valvola di perdita fino a quando la pressione dell'azoto nella camera di crescita raggiunge da tre a quattro volte 10 al meno cinque Torr. Quindi impostare l'alimentazione sull'alimentatore RF a 13,56 MHz su 300 watt. Il plasma viene avviato con un accenditore sulla fonte plasmatica.

Quando il plasma è iniziato, un bagliore viola brillante è visibile dalla porta di visualizzazione sul retro della sorgente di plasma. Regolare il controllo sulla casella di corrispondenza delle radiofrequenza per ridurre al minimo la potenza riflettente il più possibile. Una potenza riflessa inferiore a 15 watt è buona.

Mettere a fuoco la luce laser argon a lunghezza d'onda tritata di 488 nanometri riflessa dal substrato nella camera di crescita sul diodo fotografico in silicone, in modo che un segnale elettrico possa essere rilevato dall'amplificatore lock-in. Ciò si ottiene regolando l'angolo del substrato ruotando il supporto del substrato attorno a due assi e regolando la posizione del rivelatore di silicone e della lente di messa a fuoco che raccoglie la luce riflessa come mostrato in questa immagine. Un filtro a linea laser viene utilizzato per bloccare tutta la luce ad eccezione della luce di 488 nanometri dal laser argon.

L'uscita del diodo fotografico viene misurata con un amplificatore lock-in e questo singolo è proporzionale alla riflettività della superficie del substrato. Aprire l'otturatore di una delle fonti metalliche. Registrare la riflettività dipendente dal tempo con un registratore di dati controllato dal computer.

La crescita di una pellicola epitassiale produrrà un segnale oscillatorio riflesso associato a interferenze ottiche a film sottile tra le superfici anteriore e posteriore del film. Quando le pellicole di nitrito di magnesio vengono tolte per la prima volta dal MBE, sono gialle, ma sbiadiscono rapidamente a un colore biancastro. Per proteggere le pellicole dall'ossidazione e dall'aria, si raccomanda di depositare uno strato di incapsulamento di ossido di magnesio sulla parte superiore prima di estrarare il film dalla camera di crescita per proteggere il film dall'ossidazione quando è esposto all'aria.

Questo è particolarmente importante per il nitrito di magnesio e meno critico per il nitrito di zinco. Per depositare uno strato di incapsulamento dell'ossido di magnesio, chiudere il gas azoto e passare al gas ossigeno e aumentare la pressione dell'ossigeno a 10 a meno cinque Torr. Durante la crescita dello strato di tappatura, riduciamo la potenza RF a 250 watt.

Il plasma inizia con una potenza RF inferiore con ossigeno che con azoto. Una volta che il plasma di ossigeno è in funzione, aprire l'otturatore sulla sorgente di magnesio e monitorare la riflettività dipendente dal tempo per 10 minuti. Questo produrrà un film di ossido di magnesio dello spessore di circa 10 nanometri.

Una riflettività ottica dei campioni può essere modellata con questa equazione. n2 è l'indice di rifrazione del substrato di ossido di magnesio a 488 nanometri, che è uguale a 1,75. Il nulla è l'angolo dell'incidente misurato rispetto al substrato normale.

E t è tempo durante il processo di crescita. Le costanti ottiche della pellicola, n1 e k1, e il tasso di crescita sono ottenuti adattando la riflettività in funzione del tempo con l'equazione. Il quadrato giallo è un esempio del film di nitrito di magnesio chiuso con ossido di magnesio e il quadrato nero è un film di nitrito di zinco.

Il nitrito di magnesio è giallo perché ha uno spazio di banda nel visibile, mentre il nitrito di zinco è nero perché il suo gap di banda è l'infrarosso. L'immagine a sinistra è il modello di diffrazione elettronica RHEED per un substrato di ossido di magnesio nudo con il fascio di elettroni allineato parallelamente alla direzione 110. L'immagine centrale è il modello di diffrazione da una pellicola di nitrito di zinco e l'immagine a destra proviene da un film di nitrito di magnesio.

Questi risultati mostrano che le strutture cristalline delle pellicole depositate sono orientate nel piano del substrato come ci aspetteremmo per le pellicole epitassiali. Questo mostra cosa succede al modello di diffrazione elettronica quando si ruota il substrato di ossido di magnesio nudo nel manipolatore del campione. Questo grafico mostra la riflettività ottica in funzione del tempo durante la crescita delle pellicole di nitrito di zinco e nitrito di magnesio.

Adattando la riflettività in funzione del tempo al modello ottico, è possibile estrarre l'indice di rifrazione, n, il coefficiente di estinzione, k e il tasso di crescita, g, per le pellicole. La riflettività diminuisce con il tempo nel caso delle pellicole di nitrito di magnesio a causa della dispersione della rugosità superficiale, che abbiamo modellato matematicamente da un esponenziale smorzato. In questo video, vi abbiamo mostrato come coltivare pellicole di magnesio epitassiale e nitrito di zinco mediante l'epitasse del fascio molecolare assistito dal plasma.

Uno dei nostri risultati è che misurare la riflettività ottica dei campioni durante la loro crescita è un buon modo per determinare sia il tasso di crescita che le costanti ottiche del film. Sfortunatamente, il nostro materiale non mostrava fotoluminescenza, né a temperatura ambiente né a bassa temperatura, quindi è necessario apportare ulteriori miglioramenti nella qualità del film. Gli esperimenti nel nostro laboratorio su campioni di polvere forniscono un indizio su come ciò potrebbe essere fatto.

Le polveri di nitrito di zinco realizzate reagendo allo zinco con ammoniaca ad alta temperatura mostrano una forte fotoluminescenza. Ciò suggerisce che l'uso dell'ammoniaca al posto del gas azoto come fonte di azoto potrebbe essere un modo per realizzare materiale con migliori proprietà elettroniche.