JPH0645878B2 - 硫化亜鉛薄膜の製造法 - Google Patents

硫化亜鉛薄膜の製造法

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JPH0645878B2
JPH0645878B2 JP615285A JP615285A JPH0645878B2 JP H0645878 B2 JPH0645878 B2 JP H0645878B2 JP 615285 A JP615285 A JP 615285A JP 615285 A JP615285 A JP 615285A JP H0645878 B2 JPH0645878 B2 JP H0645878B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は硫化亜鉛(ZnS)薄膜の製造法に関する。さ
らに詳しくは、有機金属の気相分解法(MOCVD法)
を用いた硫化亜鉛薄膜の製造法に関する。
〔従来の技術〕
MOCVD法は良質の化合物半導体薄膜の製造が可能で
しかも量産性に富むことから、オプトエレクトロニクス
用の材料及びデバイス製造分野において注目されている
技術である。このMOCVD法を用いて、短波長発光素子材
料として有望なZnS薄膜を作成する試みがなされてい
るもののいまだデバイス化が可能なレベルの薄膜形成は
実現していない。これは、亜鉛ソースに用いるジアルキ
ル亜鉛が極めて反応性の高いことに起因する。即ち、ガ
ス状のジアルキル亜鉛は硫化水素(HS)と混合する
やいなや室温においてもすみやかに反応し、ZnSを生
じる。気相中にて生成したZnSは粒塊となつてあたかも
雪が積るが如く成長基板の上に堆積する。基板表面に堆
積したZnS粒塊は、基板表面で進行する結晶成長過程
に悪影響を及ぼすため、ジアルキル亜鉛/HS系で得
られるZnS薄膜の結晶品位はあまり高くなかつた。
最近、ジアルキル亜鉛又は硫化水素のうち少なくとも一
方を反応性の低いものと代替することで気相中でのZn
S生成を抑制しようという試みがなされている。これを
以下に述べる。
1. ジアルキル亜鉛との反応性がH2Sより低い環状硫
黄化合物を硫黄ソースに用いる。
(J.Crystal Growth 66(1984)26−34) 2. ジアルキル亜鉛と一般式RSR′(R、R′はアル
キル基)で表わされるチオエーテルとの等モル混合によ
つて得られる付加体(H2Sとの反応性がジアルキル亜鉛よ
り低い)を亜鉛ソースに用いる。(例えば、第45回応
用物理学会講演原稿集P633講演番号12p−S−4
参照) これらの対策を施すことによりジアルキル亜鉛/H
系で問題となつた気相中でのZnS生成を大幅に低減で
き、得られる単結晶膜の結晶品位向上が見られている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし前述の従来技術では次の様な問題点を有する。1.
においては環状硫黄化合物が分解しにくいため、十分な
成長速度を得るには成長温度を高くする必要がある。成
長温度が高いと格子欠陥の内包や不純物のとり込みが即
進される.2.においては、基板を含む加熱帯に導入され
た付加体が解離して生じるジアルキル亜鉛とHSとが
反応してZnSを生成するため、成長温度はジアルキル
亜鉛/HS系と同じであるが、用いる付加体の熱的安
定性に問題がある。例えば、ジエチル亜鉛(DEZ)と
ジエチル硫黄(DES)の等モル混合によつて得られる
付加体DEZ−DESは、ガス状態でHSと混合して
も室温付近ではZnSを生じることはないが、加熱帯に
入ると同時に付加帯の解離とZnSの生成が進行するた
め、成長温度が300℃と比較的低い場合にも加熱帯に
おいてZnS微粒子の生成している様子が肉眼で確認で
きる。DEZ−DES付加体を用いて得られるZnS薄
膜は上述の様に、加熱帯内部の気相中で生じたZnS微
粒子の影響を受けるために(400)回折X線ピークの
ロツキングカーブ平値幅が、0.25゜程度のものしか
得られていない。また、ジメチル亜鉛(DMZ)とDE
Sによつて得られる付加体DMZ−DESは、30℃に
おいて減圧蒸留をした場合、わずかではあるが時間とと
もに沸点が変化する。これは、付加体の一部が30℃に
おいて解離していることを示唆しており、解離によつて
生じたDMZがHSと反応することを考えれば好まし
くない。そこで、本発明は、上述の様な問題点を解決す
るもので、ジアルキル亜鉛・ジアルキル硫黄からなる付
加体よりも解離しにくい付加体を用い、さらに結晶品位
の高いZnS膜を製造するところにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明に係る硫化亜鉛薄膜の製造法においてはジアルキ
ル亜鉛とジメチルセレンの等モル混合によつて得られる
付加体を亜鉛ソースとし、HSを硫黄ソースとして用
いることを特徴としている。
ジメチルセレンは化学的にかなり安定な化合物であるた
め、ジメチルセレンの分解によるZnS膜中へのSeの
混入は問題としないでよい。
〔実施例〕
第1図には本発明で用いるMOCVD装置の概略図を示
す。透明石英製の反応管の内部にはSiCコーテイン
グを施したグラフアイト製サセプターがセツトされて
おり、サセプターの上には基板がセツトされてい
る。サセプターの内部には熱電対の先端が埋め込ま
れており、基板温度のモニターを行なう。反応管の周
囲には抵抗加熱、高周波、赤外線などからなる加熱炉
を設け、基板加熱を行なう.反応管はバルブ、及
びを介してそれぞれ廃ガス処理系、排気システム
へと接続されている。、には、純化装置より精製さ
れたキヤリアーガスが、マスフローコントローラにより
流量制御されて流れている。キヤリヤーガスはH、H
eいずれでもよい。ボンベにはキヤリアーガス2%程
度に希釈したHSが充填されており、マスフローコン
トローラによつて直接供給量が制御できる。バブラー
にはジアルキル亜鉛とジメチルセレン等モル混合によ
つて形成される付加体が、又バブラーにはジメチルセ
レン(DMSe)が封入されている。付加体、DMSe
の供給はキヤリアーガスによるバブリングで気化させて
おこなう。従つて供給量はバブリングガスの流量とバブ
リング温度によつて制御できる。各原料ガスは、配管
を流れるキヤリアーガスにより希釈されて反応炉へ至
る。
成長を常圧で行なう時はバルブを開いて反応ガスを
廃ガス処理系へ導く。減圧で行なう時はバルブを閉
じ、バルブとロータリーポンプの排気量、反応ガス
流量により反応炉内の真空度を調節しつつ成長を行な
う。ロータリーポンプを出た反応ガスは廃ガス処理系
へと導かれる。
〔実施例1〕 以下にはZnS単結晶膜のGaAs、GaP、Si基板上へ成
長する際のプロセスについて説明する。
付加体としては、ジメチル亜鉛とジメチルセレンの等モ
ル混合によつて得られるDMZ−DMSeを用いた。
DMZ−DMSeは常圧において沸点67.2℃を示す
液体であることからDMZ−DESよりは熱的に安定な
付加体と考えられる。
1. 基板の熱エツチングによる表面清浄化あらかじめ化
学エツチングにより表面処理を施した、GaAs、GaP、S
i基板を反応管内にセツトし系内を真空引きする。続
いてキヤリアガスを導入し、再度真空引きをする。この
操作により系内の残留酸素や残留水分を除去する。キヤ
リアガスを毎分1〜2程度流しながら、GaAs、GaP基
板の場合には500〜600℃、Si基板では900〜
1000℃に加熱する。この熱エツチングにより基板表
面に残留する酸化膜を除去できる。5〜10分間の熱エ
ツチングを施した後基板温度を成長温度に設定する。
2. 結晶成長 ボンベからHSを、又バブラーのバブリング開始
により付加体をそれぞれ反応炉へ供給する。これに伴
ない基板上にZnSの成長がおこる。代表的な成長条件
を次に示す。
キヤリアーガス(He):総流量4.5/min、−
20℃における付加体のバブリングガス流量:25ml、
又はHeベース2%、HSの供給量:100ml/mi
n、成長温度:300〜550℃ 以上の条件のとき、成長温度、成長基板の種類によらず
0.8〜1.0μm/hrとほぼ一定であつた。成長膜
のIMA(イオンマイクロアナライザー)による分析で
は、Seは検出されなかった。450℃において成長した
厚さ2μmのZnSの(400)回折X線ロツキングカーブ
半値幅は0.15〜0.20゜を示した。DMZ−DM
Seの利用によりDEZ−DESを亜鉛ソースとしたと
きに比べて結晶性の向上が見られた。
上記のZnS成長中においてはDEZ−DES付加体を
用いたときの様な、加熱帯内部の気相中におけるZnS
微粒子の生成は観測されなかつた。DMZ−DMSe付
加体が、DEZ−DES付加体に比べて安定であること
を示している。
〔実施例2〕 上述のプロセスに従つて成長を行なうとき成長温度が5
00℃付近になると成長膜表面のモホロジーがやや悪く
なつて来た。また、成長中わずかではあるが加熱帯内部
の気相中においてZnS微粒子の生成が見られた。これ
は、成長温度が高くなると第1図において、加熱炉の
出力が増大するため、反応炉に導入された反応ガス
は、基板近傍するまでに加熱されてしまう。このため上
述の様に気相中でのZnSの生成がおこり、生成した微
粒子が成長膜の中にとり込まれるために表面モホロジー
の劣化がおきていると思われる。
成長温度が高いときには、付加体の他にジメチルセレン
を供給することで前述の問題は解決できる。つまり次式
で表わされる付加体の解離平衡。例えば、DMZ−DM
Seの場合 DMZ−DMSeDMZ+DMSe において、DMSeを過剰に供給することにより、熱平
衡を付加体形成の方向に移動することができるからであ
る。これにより、付加体の解離を抑制することができ
る。〔実施例1〕の成長条件で成長温度500℃のと
き、バブラーに封入したDMSeを0℃、25ml/mi
nのバブリングによつて供給した。DMSeの供給量は
付加体のおよそ四倍量に相当している。DMSeの導入
により、気相中でのZnSの生成は抑制でき、表面モホ
ロジーの劣化も改善できた。成長温度がさらに高いとき
は、DMSeの供給量を増やすことで同様の効果が得ら
れた。IMAによればZnS膜中へのSeのとり込みは
ないことがわかつた。
〔実施例3〕 〔実施例1、2〕に示したプロセスと同様にして非晶質
基板例えば、ガラス、石英、あるいは、ITOの様な透
明電極、Ta25、SiO2、Si34、Al23、S
23などの絶縁膜の上へのZnS膜形成が可能であ
る。弱アルカリ性の洗浄液にて筆洗いをした後、純水、
アルコール、ダイフロン中での超音波洗浄を順次行なつ
た非晶質基板上に〔実施例1〕に示したプロセス及び成
長条件に従つてZnS膜の成長を行なつた。90minの
成長によつて得られたZnS膜の厚さは約7000Å、
成長速度は0.5μm/hrとなつた。成長速度がGa
As、GaP、Si基板に比べて小さいのは、加熱源と
して赤外線炉を用いたためと考えられている。つまり透
明石英の赤外線吸収係数が小さいので、熱伝対モニター
による設定温度が同じでも、基板表面の実際温度がGa
As、GaP基板に比べて低くなつているためと思われ
る。得られたZnS膜の電子線回折パターンは、濃淡を
有する同心円を呈しており多結晶膜であることを示して
いる。
以上の実施例はDMZ−DMSe付加体について示した
が、DEZ−DMSe付加体においても成長条件が同じ
場合にはDMZ−DMSeと同様の結果が得られ、形成
したZnS薄膜の結晶性も同レベルであつた。
実施例はヘテロエピタキシヤル成長及び、非晶質基板上
への成長についてのべたが、本発明はこの様な範囲に限
定されず、例えば、ZnS上へのZnSホモエピタキシ
ヤル成長や、その他ZnS薄膜の成長には応用が可能で
ある。
〔発明の効果〕
以上述べた様に本発明によれば、ジアルキル亜鉛とジメ
チルセレンの等モル混合によつて得られる付加体を亜鉛
ソースとしたことにより、従来、付加体の熱的安定性の
乏しさに起因していた気相中でのZnSの生成が抑制で
きた。これにより得られるZnS薄膜の結晶性が向上し
た。
本発明が短波長発光素子材料として有望なZnSの良質な
薄膜を製造する際に寄与するところは極めて大きいと確
信する。
【図面の簡単な説明】
第1図には本発明で用いるMOCVDシステムの概略図
を示す。 1……透明石英製反応管、2……SiCコーテイングを
施したグラフアイト製サセプタ、3……基板、4……熱
電対、5……反応管内の真空度を調節するバルブ、6、
7……バルブ、8……ロータリーポンプ、9……廃ガス
処理システム、10……高真空排気系、11……抵抗加
熱、赤外線、高周波などによる加熱炉、12……高精度
ニードルバルブ、13……付加体の入つたバブラー、1
4……ジメチルセレンの入つたバブラー、15……配管
系、16……硫化水素の入つたボンベ、17……マスフ
ローコントローラー、18……配管系、19、20……
バルブ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】有機金属の気相熱分解法により、基板上に
    硫化亜鉛薄膜を形成する硫化亜鉛薄膜の製造法におい
    て、 ジアルキル亜鉛とジメチルセレンとの等モル混合によっ
    て形成される付加体を亜鉛ソースとし、 硫化水素を硫黄ソースとして用いることを特徴とする硫
    化亜鉛薄膜の製造法。
  2. 【請求項2】該付加体と硫化水素を気相中で均一に混合
    した後に、該基板を含む加熱領域へ供給することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の硫化亜鉛薄膜の製造
    法。
  3. 【請求項3】該付加体をジメチルセレンと気相中で均一
    に混合した後に、硫化水素と均一に混合し、該基板を含
    む加熱領域へ供給することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の硫化亜鉛薄膜の製造法。
JP615285A 1985-01-17 1985-01-17 硫化亜鉛薄膜の製造法 Expired - Lifetime JPH0645878B2 (ja)

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