Single-crystalline Zn3N2 thin films have been grown on MgO (100) and YSZ (100) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Depending on growth conditions, the film orientation can be tuned from (100) to (111). For each orientation, x-ray diffraction and reflection high-energy electron diffraction are used to determine the epitaxial relationships and to quantify the structural quality. Using high-temperature x-ray diffraction, the Zn3N2 linear thermal expansion coefficient is measured with an average of (1.5 ± 0.1) × 10−5 K−1 in the range of 300–700 K. The Zn3N2 films are found to be systematically n-type and degenerate, with carrier concentrations of 1019–1021 cm−3 and electron mobilities ranging from 4 to 388 cm2 V−1 s−1. Low-temperature Hall effect measurements show that ionized impurity scattering is the main mechanism limiting the mobility. The large carrier densities lead to measured optical bandgaps in the range of 1.05–1.37 eV due to Moss–Burstein band filling, with an extrapolated value of 0.99 eV for actual bandgap energy.

1.
T. J.
Flack
,
B. N.
Pushpakaran
, and
S. B.
Bayne
,
J. Electron. Mater.
45
,
2673
(
2016
).
2.
A.
David
and
L. A.
Whitehead
,
C. R. Phys.
19
,
169
(
2018
).
3.
M. T.
Hardy
,
D. F.
Feezell
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
Mater. Today
14
,
408
(
2011
).
4.
B. S.
Li
,
Y. C.
Liu
,
Z. Z.
Zhi
,
D. Z.
Shen
,
Y. M.
Lu
,
J. Y.
Zhang
,
X. W.
Fan
,
R. X.
Mu
, and
D. O.
Henderson
,
J. Mater. Res.
18
,
8
(
2003
).
5.
C.
Wang
,
Z.
Ji
,
K.
Liu
,
Y.
Xiang
, and
Z.
Ye
,
J. Cryst. Growth
259
,
279
(
2003
).
6.
Y.
Nakano
,
T.
Morikawa
,
T.
Ohwaki
, and
Y.
Taga
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
172103
(
2006
).
7.
E.
Kaminska
,
E.
Przezdziecka
,
A.
Piotrowska
,
J.
Kossut
,
P.
Boguslawski
,
I.
Pasternak
,
R.
Jakiela
, and
E.
Dynowska
,
MRS Proc.
957
,
0957-K08-04
(
2006
).
8.
C.-W.
Lin
,
Y.-P.
Song
, and
S.-C.
Chang
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
04DH06
(
2015
).
9.
Y. F.
Wang
,
D. Y.
Song
,
L.
Li
,
B. S.
Li
,
A.
Shen
, and
Y.
Sui
,
Phys. Status Solidi C
13
,
585
(
2016
).
10.
B.-S.
Li
,
Z.-Y.
Xiao
,
J.-G.
Ma
, and
Y.-C.
Liu
,
Chin. Phys. B
26
,
117101
(
2017
).
11.
Y.
Jin
,
N.
Zhang
, and
B.
Zhang
,
Materials
19
(
3
),
236
(
2017
).
12.
Y.
Jin
,
N.
Zhang
,
H.
Xu
, and
B.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
202401
(
2018
).
13.
A.
Allenic
,
W.
Guo
,
Y. B.
Chen
,
G. Y.
Zhao
,
X. Q.
Pan
,
Y.
Che
,
Z. D.
Hu
, and
B.
Liu
,
J. Mater. Res.
22
,
2339
(
2007
).
14.
E.
Aperathitis
,
V.
Kambilafka
, and
M.
Modreanu
,
Thin Solid Films
518
,
1036
(
2009
).
15.
C.
García Núñez
,
J. L.
Pau
,
E.
Ruíz
, and
J.
Piqueras
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
253501
(
2012
).
16.
S. R.
Bhattacharyya
,
R.
Ayouchi
,
M.
Pinnisch
, and
R.
Schwarz
,
Phys. Status Solidi C
9
,
469
(
2012
).
17.
M. A.
Dominguez
,
J. L.
Pau
,
M.
Gómez-Castaño
,
J. A.
Luna-Lopez
, and
P.
Rosales
,
Thin Solid Films
619
,
261
(
2016
).
18.
M. A.
Dominguez
,
J. L.
Pau
, and
A.
Redondo-Cubero
,
IEEE Trans. Electron Devices
65
,
1014
(
2018
).
19.
M. A.
Dominguez
,
J. L.
Pau
, and
A.
Redondo-Cubero
,
Semicond. Sci. Technol.
34
,
055002
(
2019
).
20.
M. A.
Dominguez
,
J. L.
Pau
,
A.
Orduña-Diaz
, and
A.
Redondo-Cubero
,
Solid-State Electron.
156
,
12
(
2019
).
21.
M. A.
Dominguez
,
J. L.
Pau
, and
A.
Redondo-Cubero
,
Solid-State Electron.
171
,
107841
(
2020
).
22.
M. A.
Dominguez
,
J. L.
Pau
,
A.
Luna
, and
A.
Redondo-Cubero
,
Rev. Mex. de Fis.
65
,
10
(
2019
).
23.
K.
Kuriyama
,
Y.
Takahashi
, and
F.
Sunohara
,
Phys. Rev. B
48
,
2781
(
1993
).
24.
N.
Yamada
,
K.
Watarai
,
T.
Yamaguchi
,
A.
Sato
, and
Y.
Ninomiya
,
Jpn. J. Appl. Phys.
53
,
05FX01
(
2014
).
25.
G.
Paniconi
,
Z.
Stoeva
,
R. I.
Smith
,
P. C.
Dippo
,
B. L.
Gallagher
, and
D. H.
Gregory
,
J. Solid State Chem.
181
,
158
(
2008
).
26.
M.
Gómez-Castaño
,
J. L.
Pau
, and
A.
Redondo-Cubero
,
CrystEngComm
20
,
3666
(
2018
).
27.
Y.
Wang
,
T.
Ohsawa
,
Y.
Kumagai
,
K.
Harada
,
F.
Oba
, and
N.
Ohashi
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
092104
(
2019
).
28.
P.-C.
Wei
,
S.-C.
Tong
,
C.-M.
Tseng
,
C.-C.
Chang
,
C.-H.
Hsu
, and
J.-L.
Shen
,
J. Appl. Phys.
116
,
143507
(
2014
).
29.
S.-H.
Yoo
,
A.
Walsh
,
D. O.
Scanlon
, and
A.
Soon
,
RSC Adv.
4
,
3306
(
2014
).
30.
C. G.
Núñez
,
J. L.
Pau
,
M. J.
Hernández
,
M.
Cervera
,
E.
Ruiz
, and
J.
Piqueras
,
Thin Solid Films
520
,
1924
(
2012
).
31.
S.
Simi
,
I.
Navas
,
R.
Vinodkumar
,
S. R.
Chalana
,
M.
Gangrade
,
V.
Ganesan
, and
V. M.
Pillai
,
Appl. Surf. Sci.
257
,
9269
(
2011
).
32.
C.
García Núñez
,
J. L.
Pau
,
M. J.
Hernández
,
M.
Cervera
, and
J.
Piqueras
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
232112
(
2011
).
33.
G. Z.
Xing
,
D. D.
Wang
,
B.
Yao
,
L. F. N. A.
Qune
,
T.
Yang
,
Q.
He
,
J. H.
Yang
, and
L. L.
Yang
,
J. Appl. Phys.
108
,
083710
(
2010
).
34.
A.
Trapalis
,
J.
Heffernan
,
I.
Farrer
,
J.
Sharman
, and
A.
Kean
,
J. Appl. Phys.
120
,
205102
(
2016
).
35.
A.
Trapalis
,
I.
Farrer
,
K.
Kennedy
,
A.
Kean
,
J.
Sharman
, and
J.
Heffernan
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
122105
(
2017
).
36.
P.
Wu
,
T.
Tiedje
,
H.
Alimohammadi
,
V.
Bahrami-Yekta
,
M.
Masnadi-Shirazi
, and
C.
Wang
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
10LT01
(
2016
).
37.
T.
Suda
and
K.
Kakishita
,
J. Appl. Phys.
99
,
076101
(
2006
).
38.
M.
Futsuhara
,
K.
Yoshioka
, and
O.
Takai
,
Thin Solid Films
322
,
274
(
1998
).
39.
M.
Gómez-Castaño
,
A.
Redondo-Cubero
,
L.
Vázquez
, and
J. L.
Pau
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
29163
(
2016
).
40.
V.
Srikant
and
D. R.
Clarke
,
J. Appl. Phys.
83
,
5447
(
1998
).
41.
M. B.
Haider
,
Nanoscale Res. Lett.
12
,
5
(
2017
).
42.
X.
Cao
,
Y.
Yamaguchi
,
Y.
Ninomiya
, and
N.
Yamada
,
J. Appl. Phys.
119
,
025104
(
2016
).
43.
44.
T. S.
Moss
,
Proc. Phys. Soc. Sect. B
67
,
775
(
1954
).
45.
T.
Oshima
and
S.
Fujita
,
Jpn. J. Appl. Phys.
45
,
8653
(
2006
).
46.
D. E.
Partin
,
D. J.
Williams
, and
M.
O'Keeffe
,
J. Solid State Chem.
132
,
56
(
1997
).
47.
P.
John
,
H.
Rotella
,
C.
Deparis
,
G.
Monge
,
F.
Georgi
,
P.
Vennéguès
,
M.
Leroux
, and
J.
Zuniga-Perez
,
Phys. Rev. Mater.
4
,
054601
(
2020
).
48.
P.
John
,
P.
Vennéguès
,
H.
Rotella
,
C.
Deparis
,
C.
Lichtensteiger
, and
J.
Zúñiga-Pérez
,
J. Appl. Phys.
129
,
095303
(
2021
).
49.
M.
Grundmann
,
T.
Böntgen
, and
M.
Lorenz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
146102
(
2010
).
50.
M.
Grundmann
,
Phys. Status Solidi B
248
,
805
(
2011
).
51.
J. M.
Triscone
,
P.
Fivat
,
M.
Andersson
,
M.
Decroux
, and
Ø.
Fischer
,
Phys. Rev. B
50
,
1229
(
1994
).
52.
J.
Bläsing
,
A.
Krost
,
J.
Hertkorn
,
F.
Scholz
,
L.
Kirste
,
A.
Chuvilin
, and
U.
Kaiser
,
J. Appl. Phys.
105
,
033504
(
2009
).
53.
C.
Lichtensteiger
,
J. Appl. Crystallogr.
51
,
1745
(
2018
).
54.
S. R.
Lee
,
A. M.
West
,
A. A.
Allerman
,
K. E.
Waldrip
,
D. M.
Follstaedt
,
P. P.
Provencio
,
D. D.
Koleske
, and
C. R.
Abernathy
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
241904
(
2005
).
55.
H.
Kröncke
,
S.
Figge
,
D.
Hommel
, and
B. M.
Epelbaum
,
Acta Phys. Pol. A
114
,
1193
(
2008
).
56.
M.
Leszczynski
,
T.
Suski
,
H.
Teisseyre
,
P.
Perlin
,
I.
Grzegory
,
J.
Jun
,
S.
Porowski
, and
T. D.
Moustakas
,
J. Appl. Phys.
76
,
4909
(
1994
).
57.
58.
L.
Fengchao
and
Z.
Bin
,
Powder Diffr.
6
,
147
(
1991
).
59.
H.
Ibach
,
Phys. Status Solidi B
31
,
625
(
1969
).
60.
H.
Ibach
,
Phys. Status Solidi B
33
,
257
(
1969
).
61.
G. K.
White
and
O. L.
Anderson
,
J. Appl. Phys.
37
,
430
(
1966
).
62.
H.
Hayashi
,
T.
Saitou
,
N.
Maruyama
,
H.
Inaba
,
K.
Kawamura
, and
M.
Mori
,
Solid State Ionics
176
,
613
(
2005
).
63.
K.
Nomura
,
H.
Ohta
,
A.
Takagi
,
T.
Kamiya
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Nature
432
,
488
(
2004
).
64.
N.
Jiang
,
J. L.
Roehl
,
S. V.
Khare
,
D. G.
Georgiev
, and
A. H.
Jayatissa
,
Thin Solid Films
564
,
331
(
2014
).
65.
R.
Long
,
Y.
Dai
,
L.
Yu
,
B.
Huang
, and
S.
Han
,
Thin Solid Films
516
,
1297
(
2008
).
66.
Y.
Kumagai
,
K.
Harada
,
H.
Akamatsu
,
K.
Matsuzaki
, and
F.
Oba
,
Phys. Rev. Appl.
8
,
014015
(
2017
).
67.
P.
Wu
,
Epitaxial Growth and Optical Properties of Mg3N2, Zn3N2, and Alloys
, Ph.D. dissertation (University of Victoria, 2019); available at https://dspace.library.uvic.ca/handle/1828/10755.
68.
D. H.
Zhang
and
H. L.
Ma
,
Appl. Phys. A Mater. Sci. Process.
62
,
487
(
1996
).
You do not currently have access to this content.