カルコパイライト型半導体単結晶を基板に用いた同族半導体のエピタキシャル成長

1. 同族基板CuGa_xIn_<1-x>S_2(1-x〜0.02)上への開管式ヨウ素輸送法によるCuGaS_2及びCuAl_xGa_<1-x>S_2混晶のエピ成長:CuAl_xGa_<1-x>S_2のエピ成長を行うための第一段階として、CuGaS_2のエピ成長をTHM法によって成長を行ったCuGa_xIn_<1-x>S_2(1-x〜0.02)基板上に行った。平成9年度研究による原料CuGaS_2とヨウ素との相平衡についての熱力学的計算と実験より、成長条件を最適化した。原料温度800℃、基板温度700℃、N_2流量20cm^3/min(流速0.25cm/sec)でヨウ素濃度を変化させてエピ成長を行った。その結果、ヨウ素濃度が低い(<0.4mg/cm^3)場合、成長は部分的で、面内で一次元的な表面モフォロジーが典型的であったが、濃度が高い(10mg/cm^3)場合、基板全体で二次元的に成長していた。表面モフォロジーの面方位依存性を調べた結果、(112)B面が最も平滑であった。AFM(原子間力顕微鏡)による観察では、基板のoffに起因するマクロステップが認められた。CuAl_xGa_<1-x>S_2のエピ成長では、基板温度700℃以上の成長においては界面で相互拡散を生じ、急峻な界面が得られなかった。そのため、基板温度650℃での成長を行った。CuGaS_2のエピ成長では、基板温度700℃と同様の平滑なエピ結晶が(112)B面基板上で得られたが、CuAlS_2のエピ成長では、凹凸がある表面である。2. CuAl_xGa_<1-x>Se_2混晶のエピ成長:原料にはCuAl_yGa_<1-y>Se_2多結晶(y=0.25,0.5,0.75)を、基板にはCuGaSe_2単結晶ウェーハ(112)Bを用いた。エピ成長は、(a)原料とヨウ素との平衡反応、(b)基板クリーニング、(c)成長の3過程で行い、ヨウ素量1mg/cm^3、成長時の原料温度660℃〜700℃、基板温度610℃で、8〜24時間成長した。EDXにより組成分析した結果、エピ層の混晶比xは原料の混晶比yとほぼ等しいことを確認した。X線回折空間マッピング(逆格子空間マッピング)により、基板とエピ層間の格子不整合度(〓d/d=[d(sub)-d(epi)]/d)とエピ層からの回折X線の半値幅(FWHM)を調べた結果、xの増加とともに〓d/dも増大するが、これに対応してFWHMも増大し、結晶性が悪くなっていた。AFMにより表面観察を行った。

1. 同族基板CuGa_xIn_<1-x>S_2(1-x〜0.02)上への開管式ヨウ素輸送法によるCuGaS_2及びCuAl_xGa_<1-x>S_2混晶のエピ成長:CuAl_xGa_<1-x>S_2のエピ成長を行うための第一段階として、CuGaS_2のエピ成長をTHM法によって成長を行ったCuGa_xIn_<1-x>S_2(1-x〜0.02)基板上に行った。平成9年度研究による原料CuGaS_2とヨウ素との相平衡についての熱力学的計算と実験より、成長条件を最適化した。原料温度800℃、基板温度700℃、N_2流量20cm^3/min(流速0.25cm/sec)でヨウ素濃度を変化させてエピ成長を行った。その結果、ヨウ素濃度が低い(<0.4mg/cm^3)場合、成長は部分的で、面内で一次元的な表面モフォロジーが典型的であったが、濃度が高い(10mg/cm^3)場合、基板全体で二次元的に成長していた。表面モフォロジーの面方位依存性を調べた結果、(112)B面が最も平滑であった。AFM(原子間力顕微鏡)による観察では、基板のoffに起因するマクロステップが認められた。CuAl_xGa_<1-x>S_2のエピ成長では、基板温度700℃以上の成長においては界面で相互拡散を生じ、急峻な界面が得られなかった。そのため、基板温度650℃での成長を行った。CuGaS_2のエピ成長では、基板温度700℃と同様の平滑なエピ結晶が(112)B面基板上で得られたが、CuAlS_2のエピ成長では、凹凸がある表面である。2. CuAl_xGa_<1-x>Se_2混晶のエピ成長:原料にはCuAl_yGa_<1-y>Se_2多結晶(y=0.25,0.5,0.75)を、基板にはCuGaSe_2単結晶ウェーハ(112)Bを用いた。エピ成長は、(a)原料とヨウ素との平衡反応、(b)基板クリーニング、(c)成長の3過程で行い、ヨウ素量1mg/cm^3、成長時の原料温度660℃〜700℃、基板温度610℃で、8〜24時間成長した。EDXにより組成分析した結果、エピ層の混晶比xは原料の混晶比yとほぼ等しいことを確認した。X線回折空間マッピング(逆格子空間マッピング)により、基板とエピ層間の格子不整合度(〓d/d=[d(sub)-d(epi)]/d)とエピ層からの回折X線の半値幅(FWHM)を調べた結果、xの増加とともに〓d/dも増大するが、これに対応してFWHMも増大し、結晶性が悪くなっていた。AFMにより表面観察を行った。