JPH0670967B2 - Manufacturing method of zinc sulfide thin film - Google Patents

Manufacturing method of zinc sulfide thin film

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JPH0670967B2
JPH0670967B2 JP16040584A JP16040584A JPH0670967B2 JP H0670967 B2 JPH0670967 B2 JP H0670967B2 JP 16040584 A JP16040584 A JP 16040584A JP 16040584 A JP16040584 A JP 16040584A JP H0670967 B2 JPH0670967 B2 JP H0670967B2
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dialkylzinc
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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、有機金属の気相熱分解法(MOCVD法)を用
いた硫化亜鉛薄膜の製造法に関する。
The present invention relates to a method for producing a zinc sulfide (ZnS) thin film. More specifically, it relates to a method for producing a zinc sulfide thin film using a vapor phase thermal decomposition method (MOCVD method) of an organic metal.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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、オブト・エレクトロニクス用
の材料及びデバイス分野において非常に注目されている
技術である。また、硫化亜鉛は、大きいバンドギヤツプ
を有するII−VI族化合物半導体で、可視光発光素子用の
材料として多年の研究が重ねられているが、いまだ良質
のバルク結晶又は薄膜を得るに至つていない。これは硫
化亜鉛の融点が1850℃(150気圧下)と高いために良質
の結晶や薄膜を得るためには800〜1000℃といつた高温
での製造が必要となることに起因し、次の様な理由によ
る。
The MOCVD method is capable of producing high-quality compound semiconductor thin films and is highly producible in mass production. Therefore, the MOCVD method is a technology that has received a great deal of attention in the field of materials and devices for obto-electronics. Further, zinc sulfide is a II-VI group compound semiconductor having a large band gap and has been researched for many years as a material for a visible light emitting device, but it has not yet been possible to obtain a good quality bulk crystal or thin film. . This is because the melting point of zinc sulfide is as high as 1850 ° C (under 150 atmospheres), so it is necessary to manufacture it at a high temperature of 800 to 1000 ° C in order to obtain good quality crystals and thin films. For some reason.

(1)製造温度が高いため、製造装置及び製造雰囲気か
ら結晶や薄膜内部への不純物の混入が生じる。
(1) Since the manufacturing temperature is high, impurities are mixed into the crystal or the thin film from the manufacturing apparatus and the manufacturing atmosphere.

(2)構成元素である亜鉛(Zn)と硫黄(S)の蒸気圧
が高いために亜鉛又は硫黄の欠除による格子欠陥を生じ
やすい。
(2) Since the vapor pressures of the constituent elements zinc (Zn) and sulfur (S) are high, lattice defects are likely to occur due to lack of zinc or sulfur.

ところが先に述べたMOCVD法では250〜500℃という低温
でもZnSの結晶成長が可能で、上記の欠点1,2の大幅低減
が期待できる。MOCVD法が低温での結晶成長を可能とし
たのは、原料として用いる有機金属化合物が極めて反応
性に富み、低温においても容易に分解し亜鉛(Zn)原子
を供給し得るからである。ZnS薄膜のMOCVD法による成長
では通常ジメチル亜鉛(DMZ)又はジエチル亜鉛(DEZ)
といつたZnの有機金属化合物と硫化水素(H2S)が用い
られ、薄膜の成長を行なう際の反応炉内圧力に応じて、
常圧法(J.Crystal Growth59(1982)148−154)と減
圧法(Jpn.J.A.P.22(1983)L583−L585)とがある。従
来行なわれているMOCVD法によるZnS薄膜の製造法及びそ
の原理について、第1図に示した常圧MOCVD装置概略図
をもとに説明する。
However, with the MOCVD method described above, ZnS crystal growth is possible even at a low temperature of 250 to 500 ° C, and the above-mentioned drawbacks 1 and 2 can be expected to be greatly reduced. The MOCVD method enables crystal growth at a low temperature because the organometallic compound used as a raw material is extremely reactive and can easily decompose even at a low temperature to supply zinc (Zn) atoms. Dimethylzinc (DMZ) or diethylzinc (DEZ) is usually used for growth of ZnS thin films by MOCVD.
The organometallic compound of Zn and hydrogen sulfide (H 2 S) are used. Depending on the pressure in the reaction furnace when growing a thin film,
There are an atmospheric pressure method (J. Crystal Growth 59 (1982) 148-154) and a depressurization method (Jpn. JAP22 (1983) L583-L585). A conventional method of manufacturing a ZnS thin film by the MOCVD method and its principle will be described with reference to the atmospheric pressure MOCVD apparatus schematic diagram shown in FIG.

石英ガラス製反応管の中央に回転可能な支柱を設
け、その上にSiCコートを施したカーボン製サセプター
と基板を置く。反応炉の側面から高周波加熱炉,赤
外線炉、または抵抗加熱炉などにより基板加熱を行な
う。基板温度はカーボン製サセプターの中に先端を埋
め込んだ熱伝対によりモニターする。反応管は排気系
及び排ガス処理系とバルブ,を介して接続されてい
る。ZnソースであるDMZ:(CH3)2Zn,またはDEZ:(C2H5)2
Znはバブラーに封入されている。DMZ,DEZは液体であ
るため、キヤリアーガスでバブリングし気化させた後に
を流れるキヤリアーガスにて希釈され、を経て反応
管内部へ導入される。一方、SのソースであるH2Sはボ
ンベに封入されており、を流れるキヤリヤーガスに
よつて希釈されるを経て反応管へ導入される。減圧MO
CVDにおいては、排気系により反応管内を減圧に保ちつ
つ原料ガスを供給する。反応管内の圧力は排気系の排気
能力とバルブにより調整でき、通常数mmTorr〜数十To
rrとかなり幅広い圧力帯にて反応が行なわれる。ガス
は、排気系を経て、廃ガス処理系へと至るために、バル
ブは閉じたままである。
A rotatable column is provided in the center of a quartz glass reaction tube, and a SiC-coated carbon susceptor and a substrate are placed on it. The substrate is heated from the side of the reaction furnace by a high-frequency heating furnace, an infrared furnace, a resistance heating furnace, or the like. The substrate temperature is monitored by a thermocouple with the tip embedded in a carbon susceptor. The reaction tube is connected to the exhaust system and the exhaust gas treatment system via a valve. DMZ is a Zn Source: (CH 3) 2 Zn or DEZ,: (C 2 H 5 ) 2
Zn is enclosed in a bubbler. Since DMZ and DEZ are liquids, they are bubbled by a carrier gas to be vaporized and then diluted with a carrier gas flowing therethrough, and then introduced into the reaction tube via. On the other hand, H 2 S, which is the source of S, is enclosed in a cylinder and is introduced into the reaction tube after being diluted by the carrier gas flowing therethrough. Decompression MO
In CVD, a source gas is supplied while maintaining a reduced pressure inside the reaction tube by an exhaust system. The pressure in the reaction tube can be adjusted by the exhaust capacity of the exhaust system and the valve, and is usually several mmTorr to several tens To.
The reaction is carried out in a pressure range quite wide as rr. The valve remains closed as the gas passes through the exhaust system to the waste gas treatment system.

実際の成長に当つては、キヤリアーガスを流しながら基
板温度を所定の成長温度まで昇温し、しかる後に、それ
ぞれの原料ガスを反応管内部に導入することにより基板
上へのZnS膜の形成ができる。
In actual growth, the temperature of the substrate is raised to a predetermined growth temperature while flowing a carrier gas, and then each raw material gas is introduced into the reaction tube to form a ZnS film on the substrate. it can.

DMZ又はDEZとH2Sを原料とするMOCVD法での化学反応は次
式にて表わされる。
The chemical reaction in the MOCVD method using DMZ or DEZ and H 2 S as raw materials is represented by the following formula.

(CH32Zn+H2S→ZnS+2CH4 − (C2H5Zn+H2S→ZnS+2C2H6 − 反応式,はMOCVD法で用いられる温度帯250〜500℃
においては極めてすみやかに進行する。通常、H2SをDMZ
又はDEZに対して大過剰に供給するため、反応,はD
MZ又はDEZの供給量即ち、DMZ,DEZをバブリングするキヤ
リアーガスの量とその際のDMZ,DEZの温度によつて律速
される。つまりZnS膜の成長速度は基板温度が一定でか
つH2Sを大過剰に供給する場合には、Znソースのバブリ
ング量とバブリング温度で制御できることになる。
(CH 3 ) 2 Zn + H 2 S → ZnS + 2CH 4 − (C 2 H 5 ) 2 Zn + H 2 S → ZnS + 2C 2 H 6 − Reaction formula, is the temperature range used in the MOCVD method 250-500 ℃
In, it progresses extremely quickly. Usually H 2 S to DMZ
Or, because it is supplied in large excess to DEZ, the reaction is
The rate is controlled by the supply amount of MZ or DEZ, that is, the amount of carrier gas for bubbling DMZ, DEZ and the temperature of DMZ, DEZ at that time. That is, the growth rate of the ZnS film can be controlled by the bubbling amount of the Zn source and the bubbling temperature when the substrate temperature is constant and H 2 S is supplied in a large excess.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上述の従来行なわれているMOCVD法においては、反応式
,はDMZ,DEZの反応性のために室温においても容易
に進行する。つまり、DMZ,DEZはH2Sと混合すると直ちに
反応してZnSを生じるのである。気相中にて生成したZnS
は粒塊となつてあたかも雪が降り積もるが如く成長基板
の上に堆積する。一般的には、良質の結晶又は、薄膜を
成長させるためには、成長表面に到達した構成原子が表
面を移動し、エネルギー的に最も安定な位置に定着する
様な状況を設定してやる必要があると言われている。し
かし上述のZnSの粒塊は、単に成長表面上に堆積するだ
けなので、良質の薄膜を製造しようとする場合には著し
い悪影響を及ぼす。DMZ,DEZとH2Sの気相中での反応によ
るZnS粒塊の生成を防止するためには、DMZ,DEZとH2Sと
の混合を成長基板の極く近傍で行なうことによりある程
度の改良ができる。第1図に示したガス導入管は前述
の目的を達するため、DMZ,DEZとH2Sとが基板近傍まで混
合しない様、両者を空間的に隔てる働きをしている。反
応管内を減圧にする方法も検討されている。これは、減
圧にすることで反応管内を流れる原料ガスの線速度を常
圧の場合より大きくすることにより、気流を層流状態に
保ち、基板に到達して初めてガスの混合がおこる様にし
ている。気相中でのZnS粒塊生成を防止するためにとら
れている上述の対策は、基本的には原料ガスの混合を基
板の近傍にておこる様に原料ガスの流れを制御すること
である。しかし、この方針は、厚さ、電気的特性が均一
な薄膜をある程度の大きさの基板上に形成しようとした
時に必要とされる原料ガスの均一な混合と相反する方向
であり、MOCVD法の大きな特長である量産性,大型基板
処理能力が生かせなくなる。しかも、原料ガスの混合を
抑制するのは程度問題であり、気相中で生成されたZnS
粒塊が成長膜に及ぼす悪影響は、上述の対策を施しても
依然として問題になつている。(J.Crystol Growth59
(1982)148−154,Jpn.J.A.P.(1983)L583−L585) 〔問題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は、ジアルキル亜鉛
を亜鉛ソースとし、硫化水素を硫黄ソースとする気相熱
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、気相状態のジアルキル亜鉛と
一般式RSR′(R,R′はアルキル基)で表される気相状態
のチオ・エーテルとを混合することにより、気相状態の
両者の付加体を形成し、この付加体を前記亜鉛ソースと
して用いることを特徴とする。
In the above-mentioned conventional MOCVD method, the reaction formula, easily progresses even at room temperature due to the reactivity of DMZ and DEZ. That is, DMZ and DEZ react with H 2 S immediately to form ZnS. ZnS produced in the gas phase
Are deposited as agglomerates on the growth substrate as if it were snowing. In general, in order to grow a good quality crystal or thin film, it is necessary to set up a situation in which constituent atoms that reach the growth surface move on the surface and settle in the most energetically stable position. Is said. However, since the above-mentioned ZnS agglomerates are simply deposited on the growth surface, they have a significant adverse effect when trying to produce a good quality thin film. In order to prevent the formation of ZnS agglomerates due to the reaction of DMZ, DEZ and H 2 S in the vapor phase, mixing of DMZ, DEZ and H 2 S in the vicinity of the growth substrate is effective to some extent. Can be improved. In order to achieve the above-mentioned purpose, the gas introduction pipe shown in Fig. 1 functions to spatially separate DMZ, DEZ and H 2 S so that they are not mixed near the substrate. A method of reducing the pressure inside the reaction tube is also under study. This is because by reducing the pressure, the linear velocity of the raw material gas flowing in the reaction tube is made larger than that at normal pressure, so that the air flow is kept in a laminar flow state and the gas is mixed only after reaching the substrate. There is. The above-mentioned measures taken to prevent the formation of ZnS agglomerates in the gas phase are basically to control the flow of the raw material gas so that the raw material gas is mixed near the substrate. . However, this policy is in a direction contradictory to the uniform mixing of the raw material gases, which is required when a thin film having uniform thickness and electrical characteristics is to be formed on a substrate of a certain size. Mass production and large substrate processing capability, which are major features, cannot be used. Moreover, suppressing the mixing of the raw material gases is a matter of degree, and ZnS generated in the gas phase is
The adverse effect of agglomerates on the growth film remains a problem even if the above-mentioned measures are taken. (J. Crystol Growth59
(1982) 148-154, Jpn. JAP (1983) L583-L585) [Means for Solving the Problem] A method for producing a zinc sulfide thin film according to the present invention is to use dialkyl zinc as a zinc source and hydrogen sulfide as a sulfur source. In the method for producing a zinc sulfide thin film on a substrate by the vapor phase pyrolysis method, a dialkylzinc in the vapor phase and a general formula RSR '(R and R'are alkyl groups) are used. It is characterized in that the adduct of both vapor phase is formed by mixing with the thio ether in vapor phase, and the adduct is used as the zinc source.

また、前記付加体を形成する際に、前記ジアルキル亜鉛
の量と等しいか、またはそれより過剰の量の前記チオ・
エーテルを供給することを特徴とする。
Further, when forming the adduct, an amount of the thio.
It is characterized by supplying ether.

また、前記ジアルキル亜鉛と前記チオ・エーテルを混合
して前記付加体を形成後に、前記付加体と前記硫化水素
の混合物を形成してから、その混合物を前記基板上へ導
入することを特徴とする。
Further, the dialkyl zinc and the thioether are mixed to form the adduct, the adduct is mixed with the hydrogen sulfide, and then the mixture is introduced onto the substrate. .

〔作用〕[Action]

ジアルキル亜鉛と硫化水素の反応性が高い理由は、ジア
ルキル亜鉛がルイス酸,硫化水素がルイス塩基として作
用した結果生ずる酸−塩基反応によつて形成されるジア
ルキル亜鉛と硫化水素の付加体において、アルキル基−
亜鉛の結合と、硫黄−水素の結合が付加体の形成にとも
なつて活性化され容易にその結合が切れて、R−HやR
−Rを遊離するためである。硫化水素のS−H結合はジ
アルキル亜鉛との付加体形成にともなつて、 の様な分極を生じ付加体におけるS−H結合が硫化水素
のS−H結合より切断されやすくなつているものと考え
られる。従つて、S−H結合における分極を減少する様
な置換基即ち、電子供与性を有するアルキル基の導入に
より、付加体の安定性を増すことが期待でき、気相中で
のZnS生成を防ぐことが可能となる。更に硫化水素とチ
オ・エーテルとを比較すると電子供与性のアルキル基を
有するチオ・エーテルの方が硫化水素よりもルイス塩基
としての塩基性は強いので、ジアルキル亜鉛との付加体
の生成定数も、チオ・エーテルを用いた方が硫化水素を
用いる場合に比べて大きくなる。従つて、ジアルキル亜
鉛とチオ・エーテルの付加体を硫化水素と共存させて
も、置換反応はおこりにくいはずである。ジアルキル亜
鉛とチオ・エーテルの混合によつて両者の付加体を形成
し、しかる後に付加体とH2Sを均一に混合して、加熱領
域に供給し、そこで付加体自身の分解によるZnSの生成
又は加熱によつて付加体がジアルキル亜鉛とチオ・エー
テルとに解離し、改めてジアルキル亜鉛と硫化水素が反
応することによるZnSの生成を利用するのが、本発明に
おいて、基板を含む加熱領域以外の気相中におけるZnS
の生成を抑制できる理由である。
The reason for the high reactivity of dialkylzinc and hydrogen sulfide is that the dialkylzinc and hydrogen sulfide adducts formed by the acid-base reaction resulting from the action of dialkylzinc as a Lewis acid and hydrogen sulfide as a Lewis base. Group-
The bond of zinc and the bond of sulfur-hydrogen are activated along with the formation of the adduct, and the bond is easily broken.
This is because -R is released. The S—H bond of hydrogen sulfide is accompanied by the formation of an adduct with dialkylzinc, It is considered that the S-H bond in the adduct is more easily broken than the S-H bond of hydrogen sulfide by causing such polarization. Therefore, it is expected that the stability of the adduct can be increased by introducing a substituent that reduces polarization in the S—H bond, that is, an alkyl group having an electron donating property, and prevents ZnS formation in the gas phase. It becomes possible. Furthermore, when hydrogen sulfide and thioether are compared, thioether having an electron-donating alkyl group has a stronger basicity as a Lewis base than hydrogen sulfide, so the formation constant of the adduct with dialkylzinc is also The use of thioether is larger than that of using hydrogen sulfide. Therefore, even if the adduct of dialkylzinc and thioether is allowed to coexist with hydrogen sulfide, the substitution reaction should be difficult to occur. The adduct of dialkylzinc and thioether is formed by mixing them, and then the adduct and H 2 S are uniformly mixed and supplied to the heating zone, where ZnS is generated by decomposition of the adduct itself. Alternatively, the addition product is dissociated into dialkylzinc and thioether by heating, and the production of ZnS by the reaction of dialkylzinc and hydrogen sulfide is utilized again in the present invention. ZnS in the gas phase
This is the reason why the generation of can be suppressed.

〔実施例〕〔Example〕

以下、まず本発明において用いるMOCVD装置の概略を述
べ、続いて具体的実施例を挙げて本発明の内容を説明す
る。
Hereinafter, the outline of the MOCVD apparatus used in the present invention will be described first, and then the content of the present invention will be described with reference to specific examples.

第2図に本発明において用いるMOCVD装置の概略図を示
す。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the MOCVD apparatus used in the present invention.

石英ガラス製反応管の中央に回転可能な支柱を設
け、その上にSicコートを施したカーボン製サセプター
と基板を置く。反応炉の側面から高周波加熱炉,赤
外線炉、または抵抗加熱炉などにより基板加熱を行な
う。基板温度はカーボンサセプターの中に先端を埋め
込んだ熱伝対によりモニターする。反応管は排気系及
び廃ガス処理系とバルブ,を介して接続されてい
る。Znソースであるジアルキル亜鉛はバブラーに封入
されている。バブラーを適当な温度に保持しつつキヤリ
アーガスのバブリングを行なつてジアルキル亜鉛を気化
し、を流れるキヤリアーガスによつて希釈した後を
経て反応管内部へ導入される。チオエーテルはバブラー
に封入されておりキヤリアーガスのバブリングによつ
て気化され、を流れるキヤリアーガスで希釈された後
に合流する。合流地点において付加体が形成される。
SソースであるH2Sはボンベに封入されており希釈ラ
インを流れるキヤリアーガスで希釈された後にと合
流し、すでに形成されている付加体と混合される。
A rotatable column is provided in the center of a quartz glass reaction tube, and a Sic-coated carbon susceptor and a substrate are placed on it. The substrate is heated from the side of the reaction furnace by a high-frequency heating furnace, an infrared furnace, a resistance heating furnace, or the like. The substrate temperature is monitored by a thermocouple with the tip embedded in the carbon susceptor. The reaction tube is connected to the exhaust system and the waste gas treatment system via a valve. The Zn source, dialkyl zinc, is enclosed in a bubbler. The carrier gas is bubbled while the bubbler is maintained at an appropriate temperature to vaporize the dialkylzinc, and the dialkylzinc is diluted with the carrier gas flowing through the carrier gas and then introduced into the reaction tube. The thioether is enclosed in a bubbler, vaporized by the bubbling of carrier gas, diluted with the carrier gas flowing through the thioether, and then merges. An adduct is formed at the confluence.
H 2 S, which is the S source, is enclosed in a cylinder, diluted with the carrier gas flowing through the dilution line, and then merges with to mix with the already formed adduct.

上記のガス混合工程において、チオエーテルの供給量を
ジアルキル亜鉛に対して過剰にすることにより付加体の
形成がすみやかに進行し、さらに付加体形成反応の平衡
を付加体が生成する方向へ移動することになる。更に付
加体の形成を完全にするには、ジアルキル亜鉛がチオエ
ーテルと合流してからH2Sと合流する間の導入管を長く
するかまたは、H2Sをに合流させずに直接反応管へ
導入し、反応管内で付加体とH2Sを混合させればよい。
In the above gas mixing step, the formation of the adduct is promptly promoted by making the supply amount of thioether excessive with respect to the dialkylzinc, and further, the equilibrium of the adduct formation reaction is moved toward the formation of the adduct. become. To further complete the formation of the adduct, lengthen the inlet tube between the dialkylzinc and the thioether and then the H 2 S, or directly into the reaction tube without merging H 2 S with. It may be introduced and the adduct and H 2 S may be mixed in the reaction tube.

第2図には、縦型反応炉を示したが、横型反応炉におい
ても、基本的構成は同じである。但し、基板の回転機構
の代りに、Sicコート付きカーボン製サセプター及び基
板をガスの流れに対して適当な角度だけ傾けることによ
り得られる膜の均一性が確保できる。
Although the vertical reactor is shown in FIG. 2, the basic structure is the same also in the horizontal reactor. However, instead of the rotation mechanism of the substrate, the uniformity of the film obtained by tilting the Sic-coated carbon susceptor and the substrate at an appropriate angle with respect to the gas flow can be ensured.

〔実施例1〕 (100)面,(100)面から(110)面の方向に5°ある
いは2°のずれを有する面においてスライスし、鏡面研
磨したヒ化ガリウム(GaAs)リン化ガルウム(GaP)の
単結晶基板に、トリクロールエチレン,アセトン,メタ
ノールによる超音波洗浄を施した後にエツチングをす
る。エツチング条件は、以下の通りである。
[Example 1] Gallium arsenide (GaAs) gallium arsenide (GaP) sliced and mirror-polished on a (100) plane and a plane having a deviation of 5 ° or 2 ° from the (100) plane to the (110) plane Etching is performed on the single crystal substrate of 1) after ultrasonic cleaning with trichloroethylene, acetone, and methanol. The etching conditions are as follows.

GaAs基板 H2SO4:H2O2:H2O=3:1:1 (体積比) 室温で2min GaP基板 HCl:HNO3=3:1(体積比) 室温で30sec 純水を用いてエツチングを停止し、純水,メタノールに
て洗浄した後、ダイフロン中に保存した。基板は反応管
へのセツトを行なう直前にダイフロンより取り出し、乾
燥窒素ブローによりダイフロンを乾燥除去する。基板セ
ツトの後反応炉内を10−5Torr程度まで真空引きし、系
内に残留するガスを除く、キヤリアーガスを導入して系
内を常圧に戻した後1〜2l/min程度のキヤリアーガスを
流しつつ昇温を開始する。加熱には赤外線加熱炉を用い
た。キヤリアーガスとしては、純度99.9999%のHeまた
は純化装置を通過させたH2を用いた。基板温度が所定温
度に到達し、安定した後、原料ガスの供給を開始しZnS
膜の成長を行なう。Znソースには純度99.9999%のジエ
チ亜鉛、チオエーテルは市販されているジエチル硫黄を
用いた。条件は下記の通りである。基板温度450℃原料
導入口から基板までの距離20cmジエチル亜鉛バブリング
量0℃において100ml/min(2.3×10−5mol/min)ジエ
チル硫黄バブリング量0℃において 120ml/min(1.2×10−4mol/min)Heで希釈した2%H2S
の供給量100ml/min(9.0×10−5mol/min)キヤリアー
ガスを含む全ガス流量4.5l/min成長時間90min 所定の時間成長を行なつた後、原料の供給をストツプ
し、冷却する。冷却中はHeを1〜2l/min流しておく。基
板表面の熱エツチを防ぐためにHe希釈2%のH2Sを50〜6
0ml/min程度流しながら冷却してもよい。基板が室温に
もどつたら反応炉内を排気し、系内に残留する硫化水素
を除去する。系内を大気圧に戻した後に基板をとり出
す。この時に得られたZnS膜の厚さは、約1μmであ
り、成長速度は約0.7μm/hrであつた。
GaAs substrate H 2 SO 4 : H 2 O 2 : H 2 O = 3: 1: 1 (volume ratio) 2 min at room temperature GaP substrate HCl: HNO 3 = 3: 1 (volume ratio) 30 sec at room temperature Using pure water The etching was stopped, the product was washed with pure water and methanol, and then stored in Daiflon. The substrate is taken out of the diflon immediately before the reaction tube is set, and the diflon is dried and removed by dry nitrogen blowing. After the substrate is set, the inside of the reaction furnace is evacuated to about 10 −5 Torr to remove the gas remaining in the system, and a carrier gas is introduced to return the system to normal pressure. The temperature rise is started while flowing the Argus. An infrared heating furnace was used for heating. As carrier gas, He with a purity of 99.9999% or H 2 passed through a purifier was used. After the substrate temperature reaches the specified temperature and stabilizes, supply of raw material gas is started and ZnS
Perform film growth. The zinc source was diethyl zinc having a purity of 99.9999%, and the thioether was commercially available diethyl sulfur. The conditions are as follows. Substrate temperature 450 ℃ Distance from material inlet to substrate 20cm Diethyl zinc bubbling amount 100ml / min (2.3 × 10 -5 mol / min) at 0 ° C Diethyl sulfur bubbling amount 120ml / min (1.2 × 10 -4 mol) at 0 ° C / min) 2% H 2 S diluted with He
100 ml / min (9.0 × 10 −5 mol / min) total gas flow rate including carrier gas 4.5 l / min Growth time 90 min After growing for a predetermined time, supply of raw material is stopped and cooled. Flow He at 1-2 l / min during cooling. To prevent thermal etching of the substrate surface, 50% to 6% of H 2 S diluted with 2% He is used.
It may be cooled while flowing about 0 ml / min. When the substrate returns to room temperature, the reaction furnace is evacuated to remove hydrogen sulfide remaining in the system. After returning the system to atmospheric pressure, the substrate is taken out. The thickness of the ZnS film obtained at this time was about 1 μm, and the growth rate was about 0.7 μm / hr.

参考写真にGaP基板上に形成されたZnS膜の電子線回折
(RHEED)パターンを示す。
The reference photograph shows the electron diffraction (RHEED) pattern of the ZnS film formed on the GaP substrate.

参考写真に示すように明瞭な回折スポツトが現われてお
り、GaP基板上のZnS膜が単結晶膜であることを示してい
る。またX線ロツキングカーブを第3図に示す。ロツキ
ングカーブの半値幅は1.0度であり、得られたZnS単結晶
膜が良質な膜であることを示している。
As shown in the reference photo, a clear diffraction spot appears, indicating that the ZnS film on the GaP substrate is a single crystal film. The X-ray locking curve is shown in FIG. The half-width of the locking curve is 1.0 degree, which indicates that the obtained ZnS single crystal film is a good quality film.

GaAs基板上のZnS膜からも同様の電子線回折パターン,X
線回折曲線、及びX線ロツキングカーブが得られてお
り、GaAs基板と同様、良質な単結晶膜が成長している。
走査型電子顕微鏡により、得られた単結晶膜の表面構造
を観察したところ、1000Å程度の幅をもつた皺状の凹凸
が見られた。従来法によつて得られたZnS単結晶表面に
は、数1000Å〜1μm程度の周期をもつた凹凸が観測さ
れていた。(J.Crystal Growth59(1982)148−154.,Jp
n.J.A.P22(1983)L583−L585) 本発明によつて得られたZnS膜においては、表面の平坦
性が向上していることがわかる。
A similar electron diffraction pattern, X, was also obtained from the ZnS film on the GaAs substrate.
A line diffraction curve and an X-ray locking curve are obtained, and a high-quality single crystal film is grown like the GaAs substrate.
When the surface structure of the obtained single crystal film was observed with a scanning electron microscope, wrinkle-like irregularities having a width of about 1000Å were observed. On the surface of the ZnS single crystal obtained by the conventional method, irregularities having a period of several 1000Å to 1 μm were observed. (J. Crystal Growth59 (1982) 148-154., Jp
nJAP22 (1983) L583-L585) It can be seen that the ZnS film obtained according to the present invention has improved surface flatness.

〔実施例2〕 非晶質材料である透明石英をスライスし、鏡面研磨を施
した後、これを基板としてZnS膜の形成を行なつた。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石英
基板に〔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GaAs,GaP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、熱伝対のモニ
ターによる設定温度が同じでも、基板表面の実際温度が
GaAs,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。
第4図には、X線回折曲線を示す。透明石英上のZnS薄
膜は(111)面に顕著な配向性をもつた多結晶膜である
ことがわかる。従来法によつて得られた多結晶ZnS膜の
X線回折曲線においては、膜厚が同程度の時、(111)
のピーク強度が本発明に係る製造法によるZnS膜に比べ
て弱く、しかも(311)(220)(200)(331)といつた
高次の面からの回折ピークも現れていた。本発明に係る
製造法によつて、従来法よりも配向性の優れたZnS膜の
製造が可能となつた。
[Example 2] Transparent quartz, which is an amorphous material, was sliced, mirror-polished, and then used as a substrate to form a ZnS film. After cleaning the brush with a weak alkaline cleaning solution, ultrasonic cleaning in pure water, alcohol, and diflon was sequentially performed on the quartz substrate according to the process and growth conditions shown in [Example 1], to form a ZnS film. It has grown. The ZnS film obtained by 90 min of growth had a thickness of about 7,000 Å and a growth rate of 0.5 μm / hr. The reason that the growth rate is lower than that of GaAs and GaP substrates is considered to be due to the use of an infrared furnace as a heating source. In other words, since the infrared absorption coefficient of transparent quartz is small, the actual temperature of the substrate surface will not change even if the temperature set by the thermocouple monitor is the same.
This is probably because it is lower than that of GaAs and GaP substrates.
The electron diffraction pattern of the obtained ZnS film showed concentric circles with shades, indicating that it was a polycrystalline film.
FIG. 4 shows an X-ray diffraction curve. It can be seen that the ZnS thin film on transparent quartz is a polycrystalline film with a remarkable orientation on the (111) plane. In the X-ray diffraction curve of the polycrystalline ZnS film obtained by the conventional method, when the film thickness is similar, (111)
Peak intensity was weaker than that of the ZnS film produced by the production method according to the present invention, and diffraction peaks from higher surfaces such as (311) (220) (200) (331) were also observed. With the manufacturing method according to the present invention, it is possible to manufacture a ZnS film having better orientation than the conventional method.

実施例はジエチル亜鉛とジエチル硫黄を気相中にて混合
し付加体を形成する例を挙げたが、本発明に係るZnS薄
膜製造法は、この例に限定されず、ジアルキル亜鉛とし
てはジメチル亜鉛の使用が可能である。又、付加体を形
成する際に用いるチオ・エーテルとしては、ジメチル硫
黄メチル,エチル硫黄,ジプロピル硫黄なども使用可能
である。実施例に示したもの以外のジアルキル亜鉛及び
チオエーテルを用いた場でも実施例に示した場合と同じ
原理に基づき、同様の条件において使用が可能である。
In the example, the example in which diethylzinc and diethylsulfur are mixed in a gas phase to form an adduct, the ZnS thin film manufacturing method according to the present invention is not limited to this example, and dialkylzinc may be dimethylzinc. Can be used. As the thioether used for forming the adduct, dimethylsulfur methyl, ethylsulfur, dipropylsulfur, etc. can also be used. Even when a dialkylzinc and a thioether other than those shown in the examples are used, they can be used under the same conditions based on the same principle as the case shown in the examples.

成長に用いる基板として、Si,または、ガラス,透明石
英上にITOの様な透明電極,Ta2O5,SiO2,Si3N4,Al2O3,Sm
2O3などの様な絶縁膜を形成したものも実施例と同様の
プロセスにて使用可能である。
The substrate used for growth is Si, glass, transparent electrodes such as ITO on transparent quartz, Ta 2 O 5 , SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , Sm.
Those having an insulating film such as 2 O 3 formed thereon can also be used in the same process as in the embodiment.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

実施例において明らかな様に、本発明に係るZnS膜製造
法ではジアルキル亜鉛とチオエーテルとの反応によつて
形成される付加体及びH2Sを導入する導入口と基板が20c
mも離れているにもかかわらず、良質なZnS膜が製造でき
る。これは付加体とH2Sの混合位置から下流の導入管内
部及び、導入口から基板近傍の加熱領域に至るまでの気
相中において、ジアルキル亜鉛とH2Sの反応によるZnSの
生成が、チオエーテルとジアルキル亜鉛が付加体を形成
することにより高度に抑制されているためにほかならな
い。ちなみに、チオエーテルを供給せずにジアルキル亜
鉛を単独でZnソースとして供給すると、H2Sとの合流地
点において直ちに反応し、ZnS粒塊が煙の様に流れてい
くのが観察できる。このとき生成したZnSの多くは導入
管内壁や反応管内壁に白い粉となつて付着し、基板上で
の成長速度が著しく低下する上に得られるZnS膜は気相
中で生じたZnS粒塊が付着するために、結晶性,配向性
の悪い低品位の膜しか得られなかつた。
As is clear from the examples, in the ZnS film manufacturing method according to the present invention, the adduct formed by the reaction of dialkylzinc and thioether and the inlet and the substrate for introducing H 2 S are 20c.
A good quality ZnS film can be manufactured even though they are separated by m. This is because ZnS is produced by the reaction of dialkylzinc and H 2 S in the gas phase from the mixing position of the adduct and H 2 S to the inside of the downstream introduction tube, and from the introduction port to the heating region near the substrate. The thioether and dialkylzinc are highly suppressed by forming an adduct, which is nothing more than this. By the way, if dialkyl zinc alone is supplied as a Zn source without supplying thioether, it can be observed that ZnS agglomerates flow like smoke, immediately reacting at the confluence point with H 2 S. Most of the ZnS generated at this time adheres to the inner wall of the introduction tube and the inner wall of the reaction tube as white powder, and the growth rate on the substrate is significantly reduced.The ZnS film obtained is a ZnS agglomerate formed in the vapor phase. As a result, the low quality film with poor crystallinity and orientation was obtained.

ジアルキル亜鉛とチオエーテルを気相中で反応させ、付
加体を形成した場合は、付加体とH2Sの合流地点から基
板近傍の加熱領域に至るまでの気相中におけるZnSの生
成は認められず、長時間の成長を繰り返しても導入管
や、反応管内壁に付着するZnSの量はごく微量であつ
た。ジアルキル亜鉛とチオエーテルとの付加体形成が、
ジアルキル亜鉛とH2Sの反応抑制効果が極めて有効であ
ることを示している。
When an adduct was formed by reacting dialkylzinc and thioether in the gas phase, ZnS formation was not observed in the gas phase from the confluence of the adduct and H 2 S to the heating region near the substrate. The amount of ZnS adhering to the inner wall of the introducing tube and the inner wall of the reaction tube was very small even after repeated growth for a long time. The formation of the adduct of dialkylzinc and thioether
It is shown that the reaction inhibiting effect of dialkylzinc and H 2 S is extremely effective.

また付加体の形成により、付加体とH2Sを合流混合し、
単一の導入口から供給することが可能になつた。これに
より、従来法に比べ大型基板の大量処理ができるように
なつた。つまり、導入管の中で混合することで混合の均
一性が確保でき、さらに導入口から基板までの距離を大
きくとることで、反応管の形状と内径に応じた大きさと
枚数の基板が1バツチで処理できる。従来法においては
ジアルキル亜鉛とH2Sの混合を基板の近傍にて行なつた
ために、大型基板上に均一な成長膜を形成するには自ず
と限界があつた。本発明に係るZnS薄膜製造法ではMOCVD
の量産性が十分に活用できる。
Further, by forming the adduct, the adduct and H 2 S are combined and mixed,
It is now possible to supply from a single inlet. This has made it possible to process large substrates in large quantities as compared with conventional methods. In other words, by mixing in the introduction tube, uniformity of mixing can be ensured, and by increasing the distance from the introduction port to the substrate, one batch of a substrate having a size and number corresponding to the shape and inner diameter of the reaction tube can be obtained. Can be processed by. In the conventional method, since dialkylzinc and H 2 S were mixed near the substrate, there was a limit to forming a uniform growth film on a large substrate. In the ZnS thin film manufacturing method according to the present invention, MOCVD
The mass productivity of can be fully utilized.

MOCVD法によりZnS薄膜を製造する際、Znソースであるジ
アルキル亜鉛とチオエーテルの気相中における混合によ
つて安定な付加体を形成することにより、ジアルキル亜
鉛とH2Sとの、基板近傍の加熱領域到達以前における気
相反応が抑制できる様になり、従つて大型基板上に良質
なZnS薄膜を均一に形成できる様になつた。
When a ZnS thin film is manufactured by the MOCVD method, a stable adduct is formed by mixing Zn source dialkylzinc and thioether in the gas phase, thereby heating dialkylzinc and H 2 S in the vicinity of the substrate. It became possible to suppress the gas phase reaction before reaching the region, and consequently, it became possible to uniformly form a good quality ZnS thin film on a large substrate.

ZnS薄膜は、多結晶膜はMnなどの発光中心のドーピング
によりエレクトロルミネツセンスの発光層に、又単結晶
膜は、Al,I(ヨウ素)のドーピングによりMIS型発光ダ
イオードの活性層に使われる。本発明における上記の効
果によりこれらのデバイスの特性向上と低価格化が可能
である。さらには、ZnSによるp−n接合の形成及び電
流注入型の発光ダイオード,レーザーの開発を進めてい
く上で、本発明に係るZnS薄膜製造法は極めて重要な技
術となることを確信する。
The ZnS thin film is used as an electroluminescent light emitting layer by doping a polycrystalline emission center such as Mn, and a single crystal film as an active layer of a MIS light emitting diode by doping Al, I (iodine). . Due to the above effects of the present invention, the characteristics of these devices can be improved and the cost can be reduced. Furthermore, we are convinced that the ZnS thin film manufacturing method according to the present invention will be an extremely important technique in the formation of a pn junction by ZnS and the development of a current injection type light emitting diode and a laser.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は従来行なわれているZnS薄膜製造法で用いられ
るMOCVD装置の概略を示す図。 ……石英ガラス製反応管、……回転可能な支柱、
……Sicコーテイングを施したカーボン製サセプター、
……基板、……高周波加熱,赤外線,抵抗加熱等に
よる加熱炉、……熱伝対、,……バルブ、……
ジアルキル亜鉛の入つたバブラー、……バルブ、…
…希釈用キヤリアーガスライン、……Znソース導入
管、……H2Sの入つたボンベ、……希釈用キヤリア
ーガスライン、……H2S導入ライン 第2図は本発明に係るZnS薄膜製造法で用いられるMOCVD
装置の概略を示す図。 ……石英ガラス製反応管、……回転可能な支柱、
……Sicコーテイングを施したカーボン製サセプター、
……基板、……高周波加熱,赤外線,抵抗加熱等に
よる加熱炉、……熱伝対、,……バルブ、……
ジアルキル亜鉛の入つたバブラー、……希釈用キヤリ
アーガスライン、……原料ガス導入管、……チオエ
ーテルの入つたバブラー、……H2Sの入つたボンベ、
,……希釈用キヤリアーガスライン、,……バ
ルブ 第3図は、本発明に係るZnS薄膜製造法によつてGaP基板
上に形成したZnS膜のX線ロツキングカーブをそれぞれ
示す。 第4図は、本発明に係る薄膜製造法により石英基板上に
形成したZnS膜のX線回折曲線を示す。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a MOCVD apparatus used in a conventional ZnS thin film manufacturing method. ...... Quartz glass reaction tube ...... Rotary support,
...... Sic coated carbon susceptor,
...... Substrate, ...... High frequency heating, infrared, resistance heating, etc.
Bubbler containing dialkylzinc, ... Valve, ...
… Carrier gas line for dilution ………… Zn source introduction pipe ………… Cylinder containing H 2 S ………… Carrier gas line for dilution ………… H 2 S introduction line FIG. 2 is a ZnS thin film production according to the present invention. MOCVD used in the method
The figure which shows the outline of an apparatus. ...... Quartz glass reaction tube ...... Rotary support,
...... Sic coated carbon susceptor,
...... Substrate, ...... High frequency heating, infrared, resistance heating, etc.
Bubbler containing dialkylzinc, ... Carrier gas line for dilution, ... Raw material gas introduction pipe, Bubbler containing thioether, ... Cylinder containing H 2 S,
, ... Diluting carrier gas line, ... Valve Fig. 3 shows X-ray locking curves of the ZnS film formed on the GaP substrate by the ZnS thin film manufacturing method according to the present invention. FIG. 4 shows an X-ray diffraction curve of a ZnS film formed on a quartz substrate by the thin film manufacturing method according to the present invention.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ジアルキル亜鉛を亜鉛ソースとし、硫化水
素を硫黄ソースとする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、 気相状態のジアルキル亜鉛と一般式RSR′(R,R′はアル
キル基)で表される気相状態のチオ・エーテルとを混合
することにより、気相状態の両者の付加体を形成し、こ
の付加体を前記亜鉛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。
1. A method for producing a zinc sulfide thin film which forms a zinc sulfide thin film on a substrate by a vapor phase pyrolysis method using dialkylzinc as a zinc source and hydrogen sulfide as a sulfur source. By mixing with a gas phase thioether represented by the general formula RSR '(R and R'are alkyl groups), both gas phase adducts are formed. A method for producing a zinc sulfide thin film, which is used as:
【請求項2】前記付加体を形成する際に、前記ジアルキ
ル亜鉛の量と等しいか、またはそれより過剰の量の前記
チオ・エーテルを供給することを特徴とする特許請求の
範囲第1項に記載の硫化亜鉛薄膜の製造法。
2. The method according to claim 1, wherein an amount of the thioether equal to or in excess of the amount of the dialkylzinc is supplied in forming the adduct. A method for producing the zinc sulfide thin film described.
【請求項3】前記ジアルキル亜鉛と前記チオ・エーテル
を混合して前記付加体を形成後に、前記付加体と前記硫
化水素の混合物を形成してから、その混合物を前記基板
上へ導入することを特徴とする特許請求の範囲第1項に
記載の硫化亜鉛薄膜の製造法。
3. The dialkylzinc and the thioether are mixed to form the adduct, the adduct is mixed with the hydrogen sulfide, and then the mixture is introduced onto the substrate. The method for producing a zinc sulfide thin film according to claim 1, which is characterized by the above-mentioned.
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