PL238652B1 - Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO - Google Patents

Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO Download PDF

Info

Publication number
PL238652B1
PL238652B1 PL423624A PL42362417A PL238652B1 PL 238652 B1 PL238652 B1 PL 238652B1 PL 423624 A PL423624 A PL 423624A PL 42362417 A PL42362417 A PL 42362417A PL 238652 B1 PL238652 B1 PL 238652B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
layers
composition
layer
xmgxo
growth
Prior art date
Application number
PL423624A
Other languages
English (en)
Other versions
PL423624A1 (pl
Inventor
Dawid Jarosz
Henryk Teisseyre
Marcin Stachowicz
Mieczysław Pietrzyk
Ewa Przeździecka
Jacek Sajkowski
Adrian Kozanecki
Original Assignee
Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL423624A priority Critical patent/PL238652B1/pl
Publication of PL423624A1 publication Critical patent/PL423624A1/pl
Publication of PL238652B1 publication Critical patent/PL238652B1/pl

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób szybkiej i powtarzalnej zmiany składu Mg w warstwach Zn1-xMgxO wzrastanych w technologii PA-MBE. W sposobie tym zmiana składu Mg realizowana jest poprzez zmianę przepływu tlenu, w komorze technologicznej urządzenia MBE o co najmniej 0,01 sccm, z zachowaniem tej samej wartości napięcia na diodzie monitorującej intensywność świecenia plazmy tlenowej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zni-xMgxO o zmiennym składzie Mg, wzrastanych w technologii PA-MBE (z ang. Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy). Tego rodzaju warstwy są podstawowym elementem struktur laserowych, jak również rozproszonych reflektorów Bragga.
Struktury kwantowe czy reflektory Bragga, w których występują trójskładnikowe warstwy Zni-xMgxO mają szerokie zastosowanie w nano-elektronice i nano-optoelektronice. Struktury te, ze względu na zasadę działania, wymagają jednak warstw, w których występuje różny skład Mg. Podstawowymi przykładami zastosowania warstw Zn1-xMgxO, gdzie wymagane są warstwy o dwóch składach Mg, są struktury laserowe pobudzane optycznie oraz właśnie rozproszeniowe reflektory Bragga.
Zmiany składu Mg dokonywane są w ramach procesu technologicznego prowadzonego w reaktorze MBE. Znane są dwa sposoby zmiany składu Mg w trójskładnikowych warstwach Zn1-xMgxO wytwarzanych w technologii PA-MBE. Na przykład w publikacjach, (A. El-Shaer, Superlattices and Microstructures 42, 129-133 (2007)), (K. Ogata, J. Cryst. Growth 251 623 (2003)), (A. Wierzbicka, Appl. Surf. Science. 404, 28-33 (2017)), opisana jest powszechnie stosowna metoda zmiany składu Mg w trójskładnikowych warstwach Zn1-xMgxO poprzez zwiększanie dostarczanego strumienia Mg. Zwiększenie strumienia Mg odbywa się poprzez zmianę temperatury komórki efuzyjnej zawierającej Mg.
W sposobie tym określa się warunki wzrostu dla warstwy podstawowej struktury takie jak: przepływ tlenu, moc pobudzenia plazmy tlenowej, wartość napięcia na diodzie monitorującej intensywność świecenia plazmy tlenowej, temperatura podłoża oraz wartości strumienia wiązki Zn i wiązki Mg. Po osadzeniu tej warstwy zmienia się skład Mg w kolejnej warstwie. Skład Mg w warstwie jest liniową funkcją stosunku dostarczanych atomów Mg do całkowitej liczby dostarczanych atomów metali. W sposobie tym stosunek dostarczanych atomów opisany zależnością , zwiększany jest przez wzrost liczby dostarczanych atomów Mg (dogrzewanie komórki efuzyjnej zawierającej Mg). Zwiększenie temperatury na komórce efuzyjnej Mg powoduje zwiększenie strumienia Mg, w efekcie czego otrzymujemy warstwę trójskładnikową Zn1-xMgxO o większym składzie Mg niż w wytworzonej warstwie podstawowej.
Taka zmiana składu Mg w wytwarzanych warstwach wymaga jednak przerwania procesu wzrostu dla dokonania zmiany ustawień komórki magnezowej.
Przerwanie procesu technologicznego wymaga ponownej stabilizacji wiązki magnezowej oraz odpompowania tlenu z reaktora, co jest czasochłonne. Hipotetycznie, można stosować sposoby, w których zmiana składu stopu Zn1-xMgxO w kolejnych warstwach realizowana jest w urządzeniu MBE wyposażonym w reaktor o dwóch niezależnych komórkach magnezowych. Jednak ze względu na duży koszt takiego urządzenia wydaje się to ekonomicznie nieuzasadnione.
Innym sposobem zmiany składu Mg w warstwach Zn1-xMgxO, jest sposób znany z publikacji (S. Choopun, Appl. Phys. Lett. 80, 1529) ale sposób ten dotyczy innej metody wzrostu.
W sposobie tym, zmiana składu Mg w warstwach Zn1-xMgxO realizowana jest w oparciu o różnice współczynników odparowania Mg i Zn z powierzchni podłoża/kryształu oraz związanej z tym zmiany w prędkościach wzrostu. Zastosowanie tego sposobu umożliwia wprawdzie osiągnięcie powtarzalnej zmiany składu Mg w warstwach, jednakże w dalszym ciągu jest to proces długotrwały, gdyż potrzebny jest czas na zmianę i stabilizację temperatury podłoża. Ponadto dużym ograniczeniem tego sposobu jest konieczność dużych zmian temperatury podłoża o około 300°C, co wpływa niekorzystnie, na jakość krystalograficzną struktury.
Reasumując, znane sposoby zmiany składu Mg w trójskładnikowych warstwach Zn1-xMgxO są skuteczne, ale posiadają wady w postaci długiego czasu oczekiwania na stabilizację warunków wzrostu, jak również wysokie ryzyko pogorszenia jakości wzrastanych warstw.
Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wytwarzania struktur wzrastanych w technologii PA-MBE, w którym zmiany składu Mg w warstwach trójskładnikowych Zn1-xMgxO dokonywane są szybko i powtarzalnie, gwarantując jednocześnie dobrą ich jakość.
Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn1-xMgxO wzrastanymi w technologii PA-MBE według wynalazku polega na tym, że na podłożu, korzystnie szafirowym osadza się warstwy o określonym podstawowym składzie MgxP oraz warstwy o zmienionym składzie Mgx. W tym sposobie wzrost warstw o określonym podstawowym składzie MgxP prowadzi się przy przepływie tlenu 5*10-8m3/s, w stechiometrycznych lub bogatych w cynk warunkach wzrostu dla warstw ZnO, korzystnie w temperaturze podłoża 450°C, przy wielkości strumienia Zn = 1.866*10-4 Pa, i przy napięciu na diodzie monitorującej intensywność świecenia plazmy tlenowej równym 0.4V. Natomiast wzrost warstw zmienionym
PL 238 652 B1 składzie Mgx w osadzanej warstwie prowadzi się przy zmniejszonym o co najmniej 1 .(6)*10-10m3/s przepływie tlenu w stosunku do przepływu tlenu który ustalono jako bazowy dla osadzania warstwy podstawowej i przy zachowaniu tej samej wartości napięcia na diodzie. Korzystnie jest jeżeli wzrost warstw o zmienionym składzie Mgx prowadzi się przy przepływie tlenu od 3.(3)*10-9m3/s do 5*10-8m3/s.
Zaletą wynalazku jest szybka i powtarzalna zmiana składu Mg w trójskładnikowych warstwach Zn1-xMgxO wchodzących w skład struktury, niwelująca wady w wymienionych powyżej standardowych sposobach zmiany składu Mg w warstwach tego wymagających.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania struktury, której schemat przedstawiono na rysunku. Na Fig. 1 rysunku przedstawiono strukturę wyjściową dla laserowej struktur pobudzanej optycznie. Na Fig. 2 rysunku pokazano natomiast widma fotoluminescencji dla tej przykładowej struktury.
W pierwszym kroku wytwarzania zaprojektowanej struktury, przy użyciu znanej i stosowanej metody w technologii MBE, określono (obliczono) warunki/parametry wzrostu dla trójskładnikowej warstwy podstawowej ZnxpMgxpO oraz ustalono skład Mg w tej warstwie. Ustalanie składu prowadzono standardową metodą zmiany stosunku liczby atomów . Istotnym jest, aby zachowane były stechiometryczne warunki wzrostu dla ZnO, to znaczy, że dla ustalonego strumienia Zn należy ustawić taki przepływ tlenu, aby prędkość wzrostu warstwy ZnO nie wzrastała z dalszym zwiększaniem przepływu tlenu. Warstwa podstawowa pełni w tej strukturze rolę falowodu. W przykładowym sposobie grubość warstwy podstawowej wynosi 100 nm, zawartość Zn - 91% a zawartość Mg - 9%. Po ustaleniu warunków wzrostu dla warstwy podstawowej, ustalono warunki wzrostu dla pierwszej osadzanej na podłożu warstwy Zn1-xMgxO stanowiącej dolną okładkę falowodu. Warstwa ta ma grubość 50 nm., zawartość Zn - 82% a zawartość Mg - 18%. Taką samą grubość i skład będzie miała warstwa trzecia, która stanowi górną okładkę falowodu.
Strukturę wzrastano na szafirowym podłożu, ale może to być także inne podłoże (np. ZnO) o temperaturze 450°C. Struktura docelowo ma 3 warstwy, jedna na drugiej, przy czym pierwsza i trzecia warstwa licząc od podłoża są warstwami, które mają zwiększony skład Mg.
W przykładzie proces osadzania pierwszej warstwy Zn1-xMgxO prowadzono w urządzeniu MBE przy następujących parametrach komórki plazmowej: przepływ tlenu = 1.(6)*10-8m3/s, U = 0.4 V, P = 371 W. Strumień wiązki Zn wynosił 1.866*10-4 Pa. Natomiast strumień wiązki Mg wynosił 1.8305*10-6Pa. Wzrastanie prowadzono przez czas 50 min., a uzyskana w ten sposób wartość składu Mg wyniosła 18%. Skład Mg został ustalony na podstawie pomiarów PL (fotoluminescencji) i potwierdzony obliczeniami teoretycznymi opisanymi równaniem:
E^K(x) = (3.360 ± 0.004)eP + (1.52 ± 0.08)eP X x gdzie: Ep2 jest położeniem maksimum emisji w widmie PL z warstwy Zn1-xMgxO o składzie Mg oznaczonym, jako x.
Kiedy wzrastana warstwa osiągnęła grubość 50 nm zwiększono przepływ tlenu do poziomu 5*10-8m3/s, i przystąpiono do osadzania drugiej warstwy trójskładnikowej o parametrach warstwy podstawowej ZnxpMgxPO, która to warstwa pełni rolę falowodu. W warstwie tej skład Mg jest obniżony, w stosunku do składu Mg w warstwie pierwszej o połowę i wynosi 9%. Taki skład uwarunkowany jest parametrami funkcjonalnymi wytwarzanej struktury. Wzrastanie warstwy drugiej prowadzono przy zwiększonym do 5*10-8m3/s, przepływie tlenu i przy takich samych pozostałych warunkach jak w przypadku warstwy pierwszej (to znaczy temperatura podłoża 450°C, U = 0.4 V, P = 369W, strumień wiązki Zn = 1.866*10-4 Pa i jest ustalony tak, żeby proces wzrostu prowadzony był w warunkach stechiometrycznych dla warstw ZnO, strumień wiązki Mg = 1.8305* 10-6 Pa. Warstwę drugą osadzano przez czas 50 min.
Po osiągnięciu przez warstwę drugą grubości 100 nm zmniejszono przepływ tlenu do 1 .(6)*10-8m3 /s i przystąpiono do osadzania trzeciej warstwy trójskładnikowej, której skład jest taki sam jak warstwy pierwszej Zn1-xMgxO, a więc i taka sama zawartość Mg (Mg=18%). Wzrastanie trzeciej warstwy prowadzono w takich samych warunkach jak warstwy pierwszej i przy takim samym jak dla warstwy pierwszej przepływie tlenu (1.(6)*10-8m3/s).
W prezentowanym sposobie wykorzystywany jest efekt zmiany prędkości wzrostu warstwy ZnxpMgxpO spowodowany ograniczeniem dostarczanego tlenu oraz dużej reakcyjności Mg. Magnez dostarczany w danym przedziale czasu do powierzchni kryształu, który nie odparował, w całości zostaje wbudowany do warstwy o objętości, jaka wykrystalizowała w tym przedziale czasowym. Zmniejszenie
PL 238 652 B1 prędkości wzrostu przez obniżenie ilości dostarczanego tlenu skutkuje zmniejszeniem objętości krystalizującej warstwy, a w konsekwencji zwiększeniem składu magnezu.
Ustalenie i wykorzystanie w sposobie według wynalazku, korelacji pomiędzy zmianą składu Mg w trójskładnikowych warstwach Zni-xMgxO a wielkością przepływu tlenu takiej, że zmniejszenie przepływu tlenu o 1.(6)*10-9m3/s powoduje zwiększenie składu Mg, o ~ 0.4% jest bardzo cenne.
Podczas osadzania warstw Zn1-xMgxO, zwłaszcza w strukturach laserowych wytwarzanych w technologii MBP istotna jest powtarzalność składu wzrastanych warstw, a sposób len to zapewnia. Ponadto zmiana przepływu tlenu realizowana jest bardzo szybko, co przy osadzaniu większej ilości warstw (np. kilkuset) znacznie skraca proces wytwarzania struktury.
Potwierdzeniem poprawności sposobu wytwarzania struktur według wynalazku są pomiary fotoluminescencji przedstawione na fig. 2 rysunku. Pomiary prowadzone były przy pobudzaniu od strony warstwy (górna okładka i falowód) oraz od strony podłoża (dolna okładka i falowód). Uzyskano, potwierdzenie podwojenia składu Mg w warstwach okładek falowodu z bardzo małą rozbieżnością składu Mg. około 0,5%.

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn1-xMgxO wzrastanymi w technologii PA-MBE, w którym na podłożu, korzystnie szafirowym osadza się warstwy o określonym podstawowym składzie MgXP oraz warstwy o zmienionym składzie Mg, znamienny tym, że wzrost warstw o określonym podstawowym składzie MgXP prowadzi się przy przepływie tlenu 5*10-8m/s, w stechiometrycznych lub bogatych w cynk warunkach wzrostu dla warstw ZnO, korzystnie w temperaturo podłoża 450°C, przy wielkości strumienia Zn = 1.866*10-4 Pa, i przy napięciu na diodzie monitorującej intensywność świecenia plazmy tlenowej równym 0.4V, natomiast wzrost warstw o zmienionym składzie Mgx w osadzanej warstwie prowadzi się przy zmniejszonym o co najmniej 1.(6)*10-10m3/s przepływie tlenu w stosunku do przepływu tlenu który ustalono jako bazowy dla osadzania warstwy podstawowej i przy zachowaniu tej samej wartości napięcia na diodzie.
2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że wzrost warstw o zmienionym składzie Mgx prowadzi się przy przepływie tlenu od 3.(3)*10-9m3/s do 5*10-8m3/s.
PL423624A 2017-11-28 2017-11-28 Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO PL238652B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL423624A PL238652B1 (pl) 2017-11-28 2017-11-28 Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL423624A PL238652B1 (pl) 2017-11-28 2017-11-28 Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL423624A1 PL423624A1 (pl) 2019-06-03
PL238652B1 true PL238652B1 (pl) 2021-09-20

Family

ID=66649250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL423624A PL238652B1 (pl) 2017-11-28 2017-11-28 Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL238652B1 (pl)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009043920A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 Rohm Co Ltd p型MgZnO系薄膜及び半導体発光素子
JP5019326B2 (ja) * 2008-02-23 2012-09-05 シチズンホールディングス株式会社 MgaZn1−aO単結晶薄膜の作製方法
WO2014002069A2 (en) * 2012-06-29 2014-01-03 Koninklijke Philips N.V. Ii-vi based light emitting semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
PL423624A1 (pl) 2019-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4994235B2 (ja) ZnO結晶とその成長方法、及び発光素子の製造方法
EP2129815A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines verbindungshalbleitermaterials mittels gasphasenepitaxie
Yokoyama et al. Molecular beam epitaxial growth of ZnS on a (100)-oriented Si substrate
DE3123233C2 (de) Verfahren zur Herstellung von CdS-,CdSe-,ZnS-oder ZnSe-Halbleiterkristallen
Kathalingam et al. Optical and structural study of electrodeposited zinc selenide thin films
Haider et al. Low-temperature grown wurtzite In x Ga 1− x N thin films via hollow cathode plasma-assisted atomic layer deposition
Lei et al. Influence of preparation methods on photoluminescence properties of ZnO films on quartz glass
CN101805885A (zh) 一种制备MgZnO三元化合物有序薄膜的方法
PL238652B1 (pl) Sposób wytwarzania struktur z trójskładnikowymi warstwami Zn₁-ₓMgₓO
Abd Rahman et al. Agglomeration enhancement of AlN surface diffusion fluxes on a (0 0 0 1)-sapphire substrate grown by pulsed atomic-layer epitaxy techniques via MOCVD
Shi et al. New technique for sublimation growth of AlN single crystals
EP0656431B1 (en) Metal-organic chemical vapor-phase deposition process
DE10313315A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines III-V-Verbundhalbleiters
Minagawa et al. OMVPE growth of gallium indium phosphide on the {100} gallium arsenide using adduct compounds
FI106689B (fi) Menetelmä elektroluminenssiohutkalvon valmistamiseksi
Sharda et al. Stoichiometry of the diamond/silicon interface and its influence on the silicon content of diamond films
Fujiwara et al. Structures and Properties of (ZnS) n (ZnSe) m (n= 1–4) Ordered Alloys Grown by Atomic Layer Epitaxy
Kum et al. The effect of substrate surface roughness on GaN growth using MOCVD process
Wu et al. Growth and characterization of epitaxial ZnO nanowall networks using metal organic chemical vapor deposition
Hussain et al. Photoluminescence comparison of different substrates on AlN: Cr thin films for optoelectronic devices
KR20210090227A (ko) 세라믹 표적으로부터 증착된 입방정계 Al-풍부 AlTiN 코팅
JP5286616B2 (ja) AlxGa1−xN結晶の製造方法
Yokoyama et al. Atomic layer epitaxial growth of ZnSxSe1-x on Si substrate
Chiang Wide Band Gap Single Wurtzite Ternary Alloy MgZnO Thin Film Grown by MBE
Byun et al. Effect of sapphire nitridation on GaN by MOCVD