Zr/Si(100) ü; c ] k ùV R Ëc Ü R $ [ Ì ¦ R GaN8 ý »ì Å] k ùV ê s õ m Í + s ÇX N Ë] K ¡X ì Ä ¤V R Ë

(1)

Zr/Si(100) ü; c ] k ùV R Ëc Ü R $ [ Ì ¦ R GaN8 ý »ì Å] k ùV ê s õ m Í + s ÇX N Ë] K ¡X ì Ä ¤V R Ë

» * > U · , > * > + ä · è ¡ * > · ¼ ÿ 0 ï F¬ £ · T $ ß

ô

Ç² D G K ª @ / < Æ § 6 £ x6 x õ < Æõ , Â Òí ß 606-791

L |) o x · T ç ¡ e B

ô

Ç² D G l íõ < Æt " é ¶ ½ ¨" é ¶ @ /½ ¨G ' p' , @ /½ ¨ 702-701

T

* å x

ô

Ç² D GÒ q tí ß l Õ ü t ½ ¨" é ¶, Â Òí ß 618-230

(2011¸ 8 Z 4 25{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 9 Z 4 19{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 10 Z 4 5{ 9 > F S X & ñ )

:

r ½ ¨\ " f H Zr/Si(100) l ó ø Í 0 A\ HVPE(hydride vapor phase epitaxy) © q \ ¦ s 6 x # $ í © ) a

$

" é ¶ GaN _ : r ¸\ É r o ª © ` ¦ ½ ¨ ¸& h 8 £ ¤ \ " f ¶ ú ( R Ð ¤ . y r ¼ # É r 600

^◦

C ü < 650

^◦

C

: r ¸% ò % i \ 0 Au r ( Ü ¼ 9 HCl:NH

³

Ä »| ¾ Óq 1:38 ¸| \ " f GaN\ ¦ 30ì r ç ß $ í © % i . $ í ©

)

a GaN ³ ð + þ A © É r FE-SEM(field emission-scanning electron microscopy)` ¦ s 6 x # ' a ¹ 1 Ï % i Ü ¼ 9, & ñ < Æ& h : £ ¤$ í É r × æ ç ß ì r K 0 p x XRD(X-ray diffraction) ÐÂ Ò' ì r$ 3 % i . Ψ-rocking / B G õ F G

&

h ¸ 8 £ ¤& ñ õ \ _ Z } É r : r ¸\ " f Ð © @ /& h Ü ¼ Ð ± ú É r : r ¸\ " f_ GaN c» ¡ ¤ Ü ¼ Ð_ C ¾ Ó$ í s

7 £ x H d` ¦ Ð% i . s Qô Ç â ¾ Ó É r FE-SEM ³ ð + þ A © \ " f_ $ í © 1 l x õ { 9 u % i .

Ù þ

d # Q: | 9 o° ú µ ¢ §, t Ø Ô ï³ o u, Ã º èl © 7 £ x Ã ÌZ O , & ñ < Æ& h ì r$ 3 , F G& h ¸

Morphologies and Crystallographic Characteristics of Low-dimensional GaN Grown on Zr/Si(100)

Minji Kim · Min Jeong Shin · Min Yang · Hyung Soo Ahn · Sam Nyung Yi ^∗

Department of Applied Science, Korea Maritime University, Busan 606-791

Seok-Cheol Choi · Sang-Geul Lee

Korea Basic Science Institute Daegu Branch, Daegu 702-701

Young Cheol Lee

Korea Institute of Industrial Technology, Busan 618-230

(Received 25 August 2011 : revised 19 September 2011 : accepted 5 October 2011)

Low-dimensional GaN was grown on Zr/Si(100) by using HVPE (hydride vapor phase epitaxy) for 30 min, and its structural properties were observed for different growth temperatures. Each sample was loaded in a growth zone of 600

^◦

C or 650

^◦

C under flowing HCl:NH

3

gas in a ratio of 1:38.

The morphologies of the grown GaN were investigated by using FE-SEM (field emission-scanning electron microscopy) and the crystallographic characteristics were analyzed by using XRD(X-ray diffraction). According to the Ψ-rocking curve and pole figure results, GaN grown at relatively low

-993-

(2)

temperatures showed an increased c-axis crystallographic orientation compared to GaN grown at higher temperatures. These trends coincided with the growth behaviors of GaN observed in the FE-SEM images.

PACS numbers: 73.61.Tm, 61.10.Kw, 81.10.Bk

Keywords: GaN, Zr, HVPE, Crystallographic analysis, Pole figure

I. " e Â ] Ø

III-V7 á ¤ | 9 oÓ ü t ì ø Í ¸^ H Ä ºÃ ºô Ç Ó ü t o o < Æ& h : £ ¤$ í \ l

# è \ ¦ q 2 © ô Ç ª ô Ç è _ F « Ñ Ð 6

x ÷ & ¦ e . Õ ª × æ \ " f ¸ GaN H 3.4 eV _ V , É r \ - t

½ × ¼Ì s` ¦ t H f ] X ;s + þ A Ó ü t| 9 Ð+ Å Ò Ð ü @

% ò

% i @ /_ µ 1 Ï F g s ¸× ¼ x 9 Y Us $ s ¸× ¼ü < l , o

< Æ& h Ä ºÃ º$ í ` ¦ s 6 x ô Ç ¦ : r, ¦Ø ¦§ 4 è > hµ 1 Ï_ F

« Ñ Ð ½ ¨ Ö ¸ µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e [1–5]. s M :

© Ã ºü < \ P Ø ½ Ó> Ã º { 9 u H & h ] X ô Ç l ó ø Í_ Â ÒF Ð hexagonal ½ ¨ ¸_ GaN H Å Ò Ð Ä » ô Ç & ñ ½ ¨ ¸\ ¦ t

H Al

2

O

3

l ó ø Í 0 A\ " f ½ ¨ ' ÷ & ¦ e ¦ [6], þ j H \

H $ § 4 ô Ç é ß ü < @ / & h $ í © s 0 p x ô Ç Si l ó ø Í\ ' a d

s Å Ò3 l q ÷ & " f [7–9] MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð Sil ó ø Í 0 A\ $ í © ) a GaN\ ¦ s

6 x ô Ç F g x 9 è \ @ /ô Ç ½ ¨ Ö ¸ µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e

[10–12]. : r ½ ¨z ´\ " f ¸ s Qô Ç ½ ¨_ { 9 ¨ 8 Ü ¼ Ð Si(111) l ó ø Í 0 A\ ZrF K5 Å q` ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð ¸{ 9 # GaN

¸½ ¨ ¸_ $ í © ` ¦ r ¸K Ð ¤` ¦ M : c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ C ¾ Ó

$ í

s Al

²

O

3

l ó ø Í Ð Ä ºÃ º > H õ \ ¦ % 3 ` ¦ Ã º e

% 3 [13]. t ë ß , ¦ : r, ¦Ø ¦§ 4 è _ f ] X r Ð ½ ¨ & ³ r

Si(111)l ó ø Í É r / B N õ & ñ \ " f Ä ºÃ ºô Ç ] X é ß ³ ð ` ¦ % 3 l j Ë

µ H l Õ ü t& h ô Ç> > r F ¦ Õ ª\ É r ] j é ß ¸ ©

@

/& h Ü ¼ Ð Z } É r ¼ # s . ì ø Í , 1 l x{ 9 ô Ç z ´o B H Ó ü t| 9 s t ë ß Si(110), Si(100) H Si(111) l ó ø Í Ð / B N l / 'î r ~ ½ Ó ¾ Ó

$ í

` ¦ t ¦ e 6 £ § Ü ¼ Ð # , s [ þ t \ @ /ô Ç ½ ¨ : £ ¤ y , F g

ñ 5 Å x r Û ¼% 7 1 p x \ " f_ f ] X r Ð ½ ¨\ " f H × æ כ ¹ô Ç _

Ð o ¸ ú ¦ e [14]. Õ ª × æ \ " f ¸ zincblend ½ ¨ ¸ _

GaN $ í © s Ä º & h s t ë ß hexagonal ½ ¨ ¸_ $ í © ¢ ¸ ô

Ç 0 p x ô Ç Si(100) H z ´o B H Å ÒÀ Ól Õ ü t(silicon main-steam technique)` ¦ : x K Ð¼ # & h Ü ¼ Ð V , É r ì r \ " f 6 x ÷ & ¦ e

[15, 16]. : r z ´+ « >\ " f H ZrF K5 Å q ! Q( 8 £ x s 7 £ x Ã Ì ) a Si(100) l ó ø Í 0 A\ HVPE(hydride vapor phase epitaxy) © u

\ ¦ s 6 x # $ " é ¶ GaN\ ¦ $ í © r 6 £ §, $ í © : r ¸

¸| \ É r o ª © ` ¦ Ðs H GaN _ ½ ¨ ¸& h : £ ¤

$ í

` ¦ ¶ ú ( R Ð ¦ ô Ç .

∗

E-mail: [email protected]

Fig. 1. (Color online) Schematic diagram of hydride va- por phase epitaxy system.

II. ÷ m Ç] M öU ê s0 n É

: r z ´+ « > É r Si(100) l ó ø Í 0 A\ c 7 £ x Ã Ì~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ZrF K5 Å q` ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð + þ A$ í ô Ç + ', GaN\ ¦ HVPE ~ ½ ÓZ O Ü ¼

Ð $ í © r v H í H " f Ð ' % i . $ y l ó ø Í É r ³ ð

\ " f & h Ü ¼ Ð Ò q t$ í ÷ & H í ß o} ` ¦ ] j l 0 AK BOE(Buffered Oxide Etch)6 xÓ o\ " f 10ì r ç ß % o \ ¦ 5

g [ j : r \ " f 5ì r, B jò ø Í` ¦ \ " f 5ì r ç ß í6 £ § Ä »l [ j'

`

¦ % i . [ j' ) a r « Ñ H / B I Ð c 7 £ x µ 1 Ïl \ ©

Ã

Ìr ( Ü ¼ 9, 7 £ x Ã Ì f Õ þ ! Q ? /Â Ò / B N ¸\ ¦ 10

⁻⁵

∼ 10

⁻⁶

Torr & ñ ¸ Ð Ä »t r © I \ " f 83 mA_ À Ó\ ¦

# ZrF K5 Å q` ¦ 30 nm ¿ ºa Ð 7 £ x Ã Ì % i . s X O > ! Q (

8 £ x + þ A$ í s ¢ - a « Ñ÷ & , Õ ª 0 A\ Ã º¨ î + þ A HVPE © u \ ¦ 6

x # GaN\ ¦ $ í © r ( .

Figure 1 \ " f ^ ¦ Ã º e H ü < ° ú s : r z ´+ « >\ " f 6

x ) a Ã º¨ î + þ A HVPE H èÛ ¼% ò % i (source zone), ì ø Í6 £ x% ò

% i

(reaction zone), $ í © % ò % i (growth zone)Ü ¼ Ð ½ ¨ì r ÷ &# Q y

y _ % ò % i _ : r ¸\ ¦ 1 l qw n & h Ü ¼ Ð { 9 & ñ > ¸] X ½ + É Ã º e

> % i . s z ´+ « >\ " f H èÛ ¼% ò % i ` ¦ 850

^◦

C, ì ø Í6 £ x

% ò

% i ` ¦ 1050

^◦

C Ð [ O & ñ % i ¦, $ " é ¶ GaN $ í © ÷ & H

% ò

% i É r ' z ´+ « >\ H # : r ¸ 600

^◦

C ü < 650

^◦

C

÷ & H t & h \ r « Ñ\ ¦ © Ã Ìr ( [17]. s M : GaN H HCl õ NH

3

Û ¼| ¾ Ó q Ö ¦ s 1:38, N

²

H o # QÛ ¼ Ä »| ¾ Ós 1140 sccm _ ¸| \ " f 30ì r ç ß $ í © ÷ &% 3 Ü ¼ 9, $ í © ` ¦

2 ; r ¼ # É r FE-SEM(field emission-scanning electron mi- croscopy) ü < × æ ç ß ì r K 0 p x XRD(X-ray diffraction)\ ¦ s 6 x

# 2θ/ω-scan, Ψ-rocking / B G , F G& h ¸(pole figure) 8 £ ¤

&

ñ ` ¦ : x K GaN_ ³ ð + þ A © x 9 & ñ < Æ& h : £ ¤$ í ` ¦ ¶ ú ( R

Ð ¤ .

(3)

Fig. 2. (Color online) Tilted FE-SEM images of GaN grown on Zr/Si(100) at growth temperatures of (a) 600

◦

C and (b) 650

^◦

C. III. ÷ m Ç] M ö + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

GaN$ í © É r : r ¸ ¸| \ $ í © B j& m 7 £ § \ \ V ô Ç ì

ø Í6 £ x` ¦ Ðs H X < $ í © : r ¸ Z }` ¦ M : H s " é ¶ ¨ î + þ AI _

$ í © s s À Ò# Qt t ë ß : r ¸ ? / 9° ú Ã º2 ¤ 8 £ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_

$ í

© Ð Ã ºf ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ $ í © Ò ¦ s 7 £ x ô Ç [18]. Fig.

2(a) H Zr/Si(100) l ó ø Í` ¦ s 6 x # 600

^◦

C _ : r ¸% ò % i \

"

f $ í © ) a GaN + þ A © ` ¦, 2(b) H 650

^◦

C _ : r ¸% ò % i \ " f

$ í

© ) a GaN+ þ A © ` ¦ ? / H FE-SEM s . $ í © : r

¸\ ¸ Z þ t _ $ í © + þ AI ü < 8 £ ¤ $ í © s µ 1 Ï² ú ) a n Û

¼ß ¼ + þ AI _ ¸} @ / + þ A$ í ÷ &% 3 6 £ §` ¦ ^ ¦ Ã º e .

Figure 3(a), (b) H Fig. 2 ÐÂ Ò' S X ½ + É Ã º e % 3

~

" f Ð É r + þ AI _ GaN_ & ñ $ í ` ¦ Ðl 0 Aô Ç 2θ /ω-scan XRD Û ¼& 7 à Ô! 3 s . ¸ H r ¼ # \ " f (0002) õ

(0004) _ GaN x ß ¼ e Ü ¼ 9, Õ ª × æ \ " f ¸ (0002) _ Ä º[ jô Ç x ß ¼ H c-GaN r] X õ Ã º¨ î ` ¦ s À

Ò ¦ e Ü ¼ " f [0002]~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð $ í © ÷ &% 3 6 £ §` ¦ _ p ô Ç .

s

M : (0002) \ " f r] X s { 9 # Qè ß y ¸ H Fig. 3(a) \ " f 34.50

^◦

, 3(b) \ " f 34.55

^◦

\ ¦ ? / 9, s Qô Ç Ã ºu H : x ©

&

h GaN_ (0002) \ " f_ r] X y (34.56

^◦

) \ q K ¢ , aA á ¤ Ü

¼ Ð s 1 l x ) a x ß ¼\ ¦ t ¦ e 6 £ §` ¦ · ú Ã º e . s Qô Ç

â

¾ Ó É r n Û ¼ß ¼ + þ AI _ ¸} @ /\ " f Ð ¸ Z þ t _ $ í

© + þ AI \ " f ß ¼> z ¤Ü ¼ 9, r] X y \ @ /6 £ x H c» ¡ ¤

© Ã º\ ¦ q §K Ð ¤` ¦ M : Fig. 3(a) H 5.193 ˚ A, 3(b) H 5.187 ˚ A Ü ¼ Ð ¸ Z þ t _ â Ä º n Û ¼ß ¼ + þ AI _ ¸}

@

/ â Ä º Ð c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ © + þ A(tensile stress) & ñ

¸ è H כ ` ¦ · ú Ã º e [Fig. 3 (c)]. s H ¸ Z þ t _

â Ä º íl grains + þ A$ í ÷ & " f Ã ºf ~ ½ Ó ¾ Ó_ $ í © s Ä º [

j # © + þ A_ % ò ¾ Ó` ¦ t ¦ e H X < q K n Û ¼ß ¼ + þ

AI _ ¸} @ / H Ã ºf ~ ½ Ó ¾ Ó_ $ í © õ < Êa 8 £ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_

$ í

© s µ 1 Ï² ú < ÊÜ ¼ Ð" f ï ß > r H © + þ A` ¦ y èr õ

¦ Ò q ty ) a .

Ä

º[ jô Ç $ í © ` ¦ Ð c-GaN_ ? / C ¾ Ó$ í ` ¦ ¸ l

0 AK " f Ψ-rocking / B G 8 £ ¤& ñ ` ¦ % i . : r z ´+ « >\ " f _

Ψ-rocking / B G 8 £ ¤& ñ É r (0002) ` ¦ l ï r Ü ¼ Ð { 9 y

`

¦ 34.56

^◦

Ð [ O & ñ ô Ç Ê ê Ψ» ¡ ¤` ¦ 0

^◦

\ " f 75

^◦

t 3

^◦

ç ß Ü ¼

Ð l Ö ¦ s " f ' ÷ &% 3 Ü ¼ 9, s M : (0002) Ü ¼ ÐÂ Ò' r ] X

) a X _ y © ¸\ ¦ l Ö ¦ # Q Ψ» ¡ ¤ õ _ © ' a ' a > Ð

?

/% 3 . Fig. 3(d) H 600

^◦

C ü < 650

^◦

C : r ¸% ò % i \ " f $ í ©

)

a GaN _ [0002]~ ½ Ó ¾ Ó\ @ /ô Ç Ψ-rocking / B G s 9, y : r

¸% ò % i \ @ /ô Ç / B G _ ì ø Íu ; ¤ É r 600

^◦

C \ " f 32.939

^◦

, 650

◦

C \ " f 26.996

^◦

\ ¦ · p . ¸ H / B G É r : r ¸% ò % i \ ' a

>

\ O s -0.171

^◦

∼ -0.307

^◦

s " é ¶& h õ î r # 3 0 A\

"

f @ /g A` ¦ s À Ò% 3 Ü ¼ 9, " f Ð É r : r ¸% ò % i \ " f $ í © ) a GaN _ 6

^◦

| ¾ Ó ì ø Íu ; ¤ s H ¸ Z þ t s n Û ¼ß ¼ + þ AI _

¸} @ / Ð [0002]~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ ? / C ¾ Ó$ í s Ä ºÃ º

H כ ` ¦ _ p ô Ç .

Figure 3(d) : £ ¤& ñ & ñ c \ @ /ô Ç X r] X ì

r í\ ¦ ¨ î & h 8 £ ¤ \ " f ? /% 3 , Fig. 4\ " f

H (1011) \ @ /ô Ç r] X ì r í\ ¦ Æ Ò # GaN_ ? / C

¾ Ó$ í _ / B N ç ß & h ì r í\ ¦ F G& h ¸ ÐÂ Ò' ¶ ú ( R Ð ¤ .

: r z ´+ « >\ " f H × æ ç ß ì r K 0 p x X r] X © u 4» ¡ ¤ r] X l

(four-axis diffractometer; PANalytical X’Pert MRD)

\

¦ 6 x % i Ü ¼ 9, Ψ» ¡ ¤` ¦ 0

^◦

\ " f ±75

^◦

t 3

^◦

ç ß Ü ¼ Ð l

Ö ¦e õ 1 l x r \ Φ» ¡ ¤ Ü ¼ Ð 3

^◦

ç ß Ü ¼ Ð 360

^◦

r r v

"

f 8 £ ¤& ñ ` ¦ % i . # l " f 8 £ ¤& ñ õ _ 1 l xd " é ¶ É r Ã º¨ î ô Ç l

ó ø Í` ¦ l ï r Ü ¼ Ð Ψ» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð l Ö ¦ # Q y ¸\ ¦ _ p

9, y 1 l xd " é ¶ _ ì r& h É r Φ» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð r ) a y ¸

\

¦ _ p ô Ç . Fig. 4(a)ü < (b) H 600

^◦

C : r ¸% ò % i \ " f $ í

© ) a GaN _ (0002) õ (1011) \ @ /ô Ç X r] X y ©

¸ ì r í\ ¦, Fig. 4(c) ü < (d) H 650

^◦

C : r ¸% ò % i \ " f $ í ©

)

a GaN _ 1 l x{ 9 ô Ç [ þ t \ @ /ô Ç X r] X y © ¸ ì r í\ ¦

· p . ^ & h Ü ¼ Ð (0002) \ " f_ r] X ì r í H 1 l xd " é ¶ _

" é ¶& h (Ψ = 0

^◦

) \ " f _ y © ô Ç x ß ¼\ ¦ + þ A$ í H ì ø Í

, (1011) \ " f H 1 l xd " é ¶ _ " é ¶& h Ü ¼ ÐÂ Ò' Ψ = 62

^◦

÷

& H t & h \ ¦o ¸ ª (ring pattern)` ¦ + þ A$ í ô Ç H כ ` ¦

· ú

Ã º e . s H hexagonal ½ ¨ ¸\ " f (0002) õ (1011)

s _ y ¸ 62

^◦

'

4(a) _ 8 £ ¤& ñ ì ø Í â s 4(c)_ õ Ð a % v6 £ §` ¦ ^ ¦ Ã º e H X

<, s ÐÂ Ò' ¸ Z þ t _ â Ä º [0002]~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ C ¾ Ó

$ í

s Ä ºÃ º H כ ` ¦ S X ½ + É Ã º e . 6 £ § Ü ¼ Ð (1011)

^◦

t & h \

(4)

Fig. 3. (Color online) XRD 2θ/ω-scan results of low-dimensional GaN grown at (a) 600

^◦

C and (b) 650

^◦

C. (c) Relationship between diffraction angles of GaN and c-axis lattice constants according to different growth temperatures.

(d) Ψ-rocking curve obtained from the samples.

Fig. 4. (Color online) X-ray pole figures of GaN(0002) reflections at (a) 600

^◦

C, (c) 650

^◦

C and GaN (1011) reflections at (b) 600

^◦

C, (c) 650

^◦

C on Zr/Si(100).

"

f r] X ) a X s { ü < ° ú É r + þ AI Ð ì r í÷ &# Q e H z

´ ÐÂ Ò' GaN c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð & ñ § > =s ÷ &# Qe H ì ø Í , [1011] ~ ½ Ó ¾ Ó\ " f H Á º 0 A Ð & ñ § > =÷ &# Q e 6 £ §` ¦ · ú Ã º e

£ ¤& ñ & ñ _ 8 £ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ _ > r$ í s \ O H z ´ ë

&

h כ ¹ s ÷ &t H 3 l w ô Ç .

(5)

IV. + s Ç Â ] Ø

: r z ´+ « >\ " f H Zr/Si(100)` ¦ l ó ø ÍÜ ¼ Ð # HVPE~ ½ Ó Z O

Ü ¼ Ð 600

^◦

C ü < 650

^◦

C _ ¸| \ " f $ " é ¶ GaN\ ¦ $ í

o õ & ñ ` ¦ 2 ; ¸ Z þ t s + þ A$ í ÷ &% 3 Ü ¼ 9 : r ¸ Z }

@

/& h Ü ¼ Ð f â s V , É r n Û ¼ß ¼ + þ AI _ ¸} @ / + þ A$ í

÷

@

/ # GaN_ & ñ $ í x 9 C ¾ Ó$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ ô Ç õ , ì ø Í

&

1 l x r \ a % v É r ; ¤` ¦ t ¦ e 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e % 3

H כ ` ¦ _ p 9, s ° ú É r : £ ¤$ í É r Z } É r : r ¸\ " f 8 £ ¤

â

Ä º\ ¸y 9 y è H â ¾ Ó` ¦ Ð% i . ¢ ¸ô Ç (1011)

\

@ /ô Ç r] X ì r í\ ¦ Æ Ò& h Ü ¼ Ð ¶ ú ( R : r õ ÐÂ Ò' , $ í

©

) a $ " é ¶ GaN H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó\ @ /K " f H Ã ºf Ü ¼ Ð & ñ § > =

÷

&# Q e H X < ì ø ÍK (1011) \ @ /K " f H ~ ½ Ó ¾ Ó\ @ /ô Ç _

> r$ í s \ O H כ ` ¦ · ú Ã º e % 3 .

P

c p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r 2011¸ ¸ t d â ] jÂ Ò t % i í ß \ O l Õ ü t > hµ 1 Ï

\ O _ { 9 ¨ 8 Ü ¼ Ð Ã º' × æ “ ~ Ã Ì6 x [ j@ / ¦Ø ¦§ 4 LED ¸" î 1 p x > hµ 1 Ï” \ O Ü ¼ Ð Ã º' ) a ½ ¨e (õ ] j ñ 70007439).

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] F. Li, S. H. Lee, J. H. You, T. W. Kim, K. H. Lee, J. Y. Lee, Y. H. Kwon and T. W. Kang, J. Cryst.

Growth 312, 2320 (2010).

[2] Y. J. Hong, C. H. Lee, A. Yoon, M. Kim, H. K.

Seong, H. J. Chung, C. Sone, Y. J. Park and G. C.

Yi, Adv. Mater. 23, 3284 (2011).

[3] Y. Zhao, S. Tanaka, C. C. Pan, K. Fujito, D. Feezell, James S. Speck, Steven P. DenBaars and S. Naka- mura, Appl. Phys. Express 4, 082104 (2011).

[4] C. Xiong, W. Pernice, Kevin K. Ryu, C. Schuck, King Y. Fong, T. Palacios and Hong X. Tang, Optics Express 19, 10462 (2011).

[5] M. L. Kuo, Y. S. Kim, M. L. Hsieh and S. Y. Lin, Nano Lett. 11, 476 (2011).

[6] F. Y. Meng, I. Han, H. McFelea, E. Lindow, R.

Bertram, C. Werkhoven, C. Arena and S. Mahajan, J. Cryst. Growth 327, 13 (2011).

[7] Z. Liu, X. Wang, J. Wang, G. Hu, L. Guo, J. Li, J.

Li and Y. Zeng, J. Cryst. Growth 298, 281 (2007).

[8] S. Ishizawa, K. Kishino and A. Kikuchi, Appl. Phys.

Express 1, 015006 (2008).

[9] S. Lee, T. Oh, B. Shin, C. Kim, D. R. Lee and H.

H. Lee, J. Cryst. Growth 312, 2038 (2010).

[10] R. Navamathavan, Y. H. Ra, K. Y. Song, D. W. Kim and C. R. Lee, Current Appl. Phys. 11, 77 (2011).

[11] Y. Zhu, A. Watanabe, L. Lu, Z. Chen and T. Egawa, Jpn. J. Appl. Phys. 50, 04DG08 (2011).

[12] M. Wei, X. L. Wang, H. L. Xiao, C. M. Wang, X.

Pan, Q. F. Hou and Z. G. Wang, Chinese Phys. Lett.

28, 048102 (2011).

[13] M. Kim, M. J. Shin, H. Jeon, H. S. Ahn, S. N. Yi, S. C. Choi, S. G. Lee, Y. M. Yu and N. Sawaki, Jpn.

J. Appl. Phys. (submitted).

[14] J. Wan, R. Venugopal, M. R. Melloch, H. M. Liaw and W. J. Rummel, Appl. Phys. Lett. 79, 1459 (2001).

[15] S. Nishimura, H. Hanamoto, K. Terashima and S.

Matsumoto, Mater. Sci. Eng. B 93, 135 (2002).

[16] C. C. Huang, S. J. Chang, C. H. Kuo, C. H. Wu, C.

H. Ko, Clement H. Wann, Y. C. Cheng and W. J.

Lin, J. Electrochem. Soc. 158, H626 (2011).

[17] H. Y. Kwon, J. Y. Moon, Y. J. Choi, M. J. Shin, H.

S. Ahn, M. Yang, J. H. Chang, S. N. Yi and D. H.

Ha, Mater. Sci. Eng. B 166, 28 (2010).

[18] J. Y. Moon, H. Y. Kwon, Y. J. Choi, M. J. Shin, S.

N. Yi, Y. J. Yun, S. Kim, D. H. Ha and J. Y. Sug, J. Alloys Comp. 480, 853 (2009).

[19] J. I. Hong, J. Bae, Z. L. Wang and Robert L. Snyder,

Nanotechnology 20, 085609 (2009).

Zr/Si(100) ü; c ] k ùV R Ëc Ü R $ [ Ì ¦ R GaN8 ý  »ì Å] k ùV ê s õ m Í + s ÇX N Ë] K ¡X ì Ä  ¤V R Ë

Zr/Si(100) ü; c ] k ùV R Ëc Ü R $ [ Ì ¦ R GaN8 ý  »ì Å] k ùV ê s õ m Í + s ÇX N Ë] K ¡X ì Ä  ¤V R Ë

 » * > U  · , > * > + ä  · è ¡ * > · ¼ ÿ 0 ï F¬ £ · T   $ ß 

ô

 Ç² D G K  ª @ / < Æ § 6 £ x6 x õ  < Æõ , Â Òí ß  606-791

L |) o   x · T  ç ¡ e B

ô

 Ç² D G l  íõ  < Æt " é ¶  ½ ¨" é ¶ @ /½ ¨G ' p' , @ /½ ¨ 702-701

T

* å   x

ô

 Ç² D GÒ q tí ß l Õ ü t  ½ ¨" é ¶, Â Òí ß  618-230

(2011¸  8 Z 4 25{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  9 Z 4 19{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  10 Z 4 5{ 9  > F  S X & ñ )

 :

r   ½ ¨\ " f  H Zr/Si(100) l ó ø Í 0 A\  HVPE(hydride vapor phase epitaxy) © q \  ¦ s 6 x #  $ í  ©   ) a

$

 " é ¶ GaN _   : r  ¸\    É r   o ª  © `  ¦ ½ ¨ ¸& h   8 £ ¤  \ " f ¶ ú ( R Ð  ¤ . y   r ¼ #  É r 600

C ü < 650

C



  : r  ¸% ò % i \  0 Au r (  Ü ¼ 9 HCl:NH

Ä »| ¾ Óq  1:38   ¸| \ " f GaN\  ¦ 30ì  r ç ß  $ í  ©  % i  . $ í  © 

 )

&

h  ¸ 8 £ ¤& ñ   õ \  _    Z  } É r  : r  ¸\ " f Ð   © @ /& h Ü ¼ Ð ± ú  É r  : r  ¸\ " f_  GaN c» ¡ ¤ Ü ¼ Ð_  C  ¾ Ó$ í s

 7 £ x  H  d`  ¦  Ð% i  . s  Qô  Ç  â  ¾ Ó É r FE-SEM ³ ð  + þ A © \ " f_  $ í  ©  1 l x õ  { 9 u  % i  .

Ù þ

d  # Q: | 9  o° ú µ ¢ §, t Ø Ô ï³ o u, Ã º èl  © 7 £ x  Ã ÌZ O ,   & ñ  < Æ& h ì  r$ 3 , F G& h  ¸

Morphologies and Crystallographic Characteristics of Low-dimensional GaN Grown on Zr/Si(100)

Minji Kim · Min Jeong Shin · Min Yang · Hyung Soo Ahn · Sam Nyung Yi ∗

Department of Applied Science, Korea Maritime University, Busan 606-791

Seok-Cheol Choi · Sang-Geul Lee

Korea Basic Science Institute Daegu Branch, Daegu 702-701

Young Cheol Lee

Korea Institute of Industrial Technology, Busan 618-230

(Received 25 August 2011 : revised 19 September 2011 : accepted 5 October 2011)

Low-dimensional GaN was grown on Zr/Si(100) by using HVPE (hydride vapor phase epitaxy) for 30 min, and its structural properties were observed for different growth temperatures. Each sample was loaded in a growth zone of 600

C or 650

C under flowing HCl:NH

gas in a ratio of 1:38.

The morphologies of the grown GaN were investigated by using FE-SEM (field emission-scanning electron microscopy) and the crystallographic characteristics were analyzed by using XRD(X-ray diffraction). According to the Ψ-rocking curve and pole figure results, GaN grown at relatively low

-993-

temperatures showed an increased c-axis crystallographic orientation compared to GaN grown at higher temperatures. These trends coincided with the growth behaviors of GaN observed in the FE-SEM images.

PACS numbers: 73.61.Tm, 61.10.Kw, 81.10.Bk

Keywords: GaN, Zr, HVPE, Crystallographic analysis, Pole figure

I. " e Â ] Ø

III-V7 á ¤ | 9  oÓ ü t ì ø Í ¸^   H Ä ºÃ ºô  Ç Ó ü t o  o < Æ& h : £ ¤$ í \  l

  #      è \  ¦ q 2  © ô  Ç  ª ô  Ç  è _  F « Ñ Ð   6

x ÷ & ¦ e   . Õ ª ×  æ \ " f ¸ GaN  H 3.4 eV _  V ,  É r \  - t

  ½ × ¼Ì  s`  ¦ t   H f  ] X   ;s + þ A Ó ü t| 9  Ð+  Å Ò Ð  ü @ 

% ò

% i @ /_  µ 1 Ï F g s  ¸× ¼ x 9 Y Us $  s  ¸× ¼ü <   l , o



< Æ& h   Ä ºÃ º$ í `  ¦ s 6 x ô  Ç  ¦ : r,  ¦Ø  ¦§ 4     è  > hµ 1 Ï_  F

« Ñ Ð   ½ ¨  Ö ¸ µ 1 Ïy    '  ÷ & ¦ e    [1–5]. s M :    



© Ã ºü < \ P Ø   ½ Ó> Ã º { 9 u    H & h ] X ô  Ç l ó ø Í_  Â ÒF  Ð hexagonal ½ ¨ ¸_  GaN  H Å Ò Ð Ä » ô  Ç   & ñ ½ ¨ ¸\  ¦ t 



 H Al

O

l ó ø Í 0 A\ " f   ½ ¨   '  ÷ & ¦ e   ¦ [6], þ j   H \ 



 H $ § 4 ô  Ç é ß ü < @ /  & h $ í  © s  0 p x ô  Ç Si l ó ø Í\   ' a d 

s  Å Ò3 l q ÷ &  " f [7–9] MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð Sil ó ø Í 0 A\  $ í  ©   ) a GaN\  ¦ s

6 x ô  Ç F g x 9     è \  @ /ô  Ç   ½ ¨  Ö ¸ µ 1 Ïy    '  ÷ & ¦ e 

  [10–12].  : r   ½ ¨z ´\ " f ¸ s  Qô  Ç   ½ ¨_  { 9 ¨ 8  Ü ¼ Ð Si(111) l ó ø Í 0 A\  ZrF K5 Å q`  ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð  ¸{ 9  #  GaN 



¸½ ¨ ¸_  $ í  © `  ¦ r  ¸K   Ð  ¤`  ¦ M : c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_  C  ¾ Ó

$ í

s  Al

O

l ó ø Í Ð  Ä ºÃ º >      H   õ \  ¦ % 3 `  ¦ Ã º e 

% 3   [13]. t ë ß ,  ¦ : r,  ¦Ø  ¦§ 4  è _  f  ] X  r Ð ½ ¨ & ³ r

 Si(111)l ó ø Í É r / B N õ & ñ \ " f Ä ºÃ ºô  Ç ] X é ß ³ ð  `  ¦ % 3 l  j Ë

µ  H l Õ ü t& h ô  Ç>   > r F   ¦ Õ ª\    É r ] j   é ß  ¸  © 

@

/& h Ü ¼ Ð Z  } É r ¼ # s  . ì ø Í  , 1 l x{ 9 ô  Ç z ´o  B H Ó ü t| 9 s t ë ß  Si(110), Si(100)  H Si(111) l ó ø Í  Ð  / B N l  / 'î  r ~ ½ Ó ¾ Ó

$ í

`  ¦ t  ¦ e  6 £ § Ü ¼ Ð   # , s [ þ t \  @ /ô  Ç   ½ ¨ : £ ¤ y , F g



Zr/Si(100) ü; c ] k ùV R Ëc Ü R $ [ Ì ¦ R GaN8 ý »ì Å] k ùV ê s õ m Í + s ÇX N Ë] K ¡X ì Ä ¤V R Ë

Zr/Si(100) ü; c ] k ùV R Ëc Ü R $ [ Ì ¦ R GaN8 ý »ì Å] k ùV ê s õ m Í + s ÇX N Ë] K ¡X ì Ä ¤V R Ë

» * > U · , > * > + ä · è ¡ * > · ¼ ÿ 0 ï F¬ £ · T $ ß

Ç² D G K ª @ / < Æ § 6 £ x6 x õ < Æõ , Â Òí ß 606-791

L |) o x · T ç ¡ e B

Ç² D G l íõ < Æt " é ¶ ½ ¨" é ¶ @ /½ ¨G ' p' , @ /½ ¨ 702-701

* å x

Ç² D GÒ q tí ß l Õ ü t ½ ¨" é ¶, Â Òí ß 618-230

(2011¸ 8 Z 4 25{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 9 Z 4 19{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 10 Z 4 5{ 9 > F S X & ñ )

:

r ½ ¨\ " f H Zr/Si(100) l ó ø Í 0 A\ HVPE(hydride vapor phase epitaxy) © q \ ¦ s 6 x # $ í © ) a

" é ¶ GaN _ : r ¸\ É r o ª © ` ¦ ½ ¨ ¸& h 8 £ ¤ \ " f ¶ ú ( R Ð ¤ . y r ¼ # É r 600

: r ¸% ò % i \ 0 Au r ( Ü ¼ 9 HCl:NH

Ä »| ¾ Óq 1:38 ¸| \ " f GaN\ ¦ 30ì r ç ß $ í © % i . $ í ©

)

h ¸ 8 £ ¤& ñ õ \ _ Z } É r : r ¸\ " f Ð © @ /& h Ü ¼ Ð ± ú É r : r ¸\ " f_ GaN c» ¡ ¤ Ü ¼ Ð_ C ¾ Ó$ í s

7 £ x H d` ¦ Ð% i . s Qô Ç â ¾ Ó É r FE-SEM ³ ð + þ A © \ " f_ $ í © 1 l x õ { 9 u % i .

d # Q: | 9 o° ú µ ¢ §, t Ø Ô ï³ o u, Ã º èl © 7 £ x Ã ÌZ O , & ñ < Æ& h ì r$ 3 , F G& h ¸

Minji Kim · Min Jeong Shin · Min Yang · Hyung Soo Ahn · Sam Nyung Yi ^∗

III-V7 á ¤ | 9 oÓ ü t ì ø Í ¸^ H Ä ºÃ ºô Ç Ó ü t o o < Æ& h : £ ¤$ í \ l

# è \ ¦ q 2 © ô Ç ª ô Ç è _ F « Ñ Ð 6

x ÷ & ¦ e . Õ ª × æ \ " f ¸ GaN H 3.4 eV _ V , É r \ - t

½ × ¼Ì s` ¦ t H f ] X ;s + þ A Ó ü t| 9 Ð+ Å Ò Ð ü @

% i @ /_ µ 1 Ï F g s ¸× ¼ x 9 Y Us $ s ¸× ¼ü < l , o

< Æ& h Ä ºÃ º$ í ` ¦ s 6 x ô Ç ¦ : r, ¦Ø ¦§ 4 è > hµ 1 Ï_ F

« Ñ Ð ½ ¨ Ö ¸ µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e [1–5]. s M :

© Ã ºü < \ P Ø ½ Ó> Ã º { 9 u H & h ] X ô Ç l ó ø Í_ Â ÒF Ð hexagonal ½ ¨ ¸_ GaN H Å Ò Ð Ä » ô Ç & ñ ½ ¨ ¸\ ¦ t

H Al

l ó ø Í 0 A\ " f ½ ¨ ' ÷ & ¦ e ¦ [6], þ j H \

H $ § 4 ô Ç é ß ü < @ / & h $ í © s 0 p x ô Ç Si l ó ø Í\ ' a d

s Å Ò3 l q ÷ & " f [7–9] MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð Sil ó ø Í 0 A\ $ í © ) a GaN\ ¦ s

6 x ô Ç F g x 9 è \ @ /ô Ç ½ ¨ Ö ¸ µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e

[10–12]. : r ½ ¨z ´\ " f ¸ s Qô Ç ½ ¨_ { 9 ¨ 8 Ü ¼ Ð Si(111) l ó ø Í 0 A\ ZrF K5 Å q` ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð ¸{ 9 # GaN

¸½ ¨ ¸_ $ í © ` ¦ r ¸K Ð ¤` ¦ M : c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ C ¾ Ó

s Al

l ó ø Í Ð Ä ºÃ º > H õ \ ¦ % 3 ` ¦ Ã º e

% 3 [13]. t ë ß , ¦ : r, ¦Ø ¦§ 4 è _ f ] X r Ð ½ ¨ & ³ r

Si(111)l ó ø Í É r / B N õ & ñ \ " f Ä ºÃ ºô Ç ] X é ß ³ ð ` ¦ % 3 l j Ë

µ H l Õ ü t& h ô Ç> > r F ¦ Õ ª\ É r ] j é ß ¸ ©

/& h Ü ¼ Ð Z } É r ¼ # s . ì ø Í , 1 l x{ 9 ô Ç z ´o B H Ó ü t| 9 s t ë ß Si(110), Si(100) H Si(111) l ó ø Í Ð / B N l / 'î r ~ ½ Ó ¾ Ó

` ¦ t ¦ e 6 £ § Ü ¼ Ð # , s [ þ t \ @ /ô Ç ½ ¨ : £ ¤ y , F g

ñ 5 Å x r Û ¼% 7 1 p x \ " f_ f ] X r Ð ½ ¨\ " f H × æ כ ¹ô Ç _

Ð o ¸ ú ¦ e [14]. Õ ª × æ \ " f ¸ zincblend ½ ¨ ¸ _

GaN $ í © s Ä º & h s t ë ß hexagonal ½ ¨ ¸_ $ í © ¢ ¸ ô

Ç 0 p x ô Ç Si(100) H z ´o B H Å ÒÀ Ól Õ ü t(silicon main-steam technique)` ¦ : x K Ð¼ # & h Ü ¼ Ð V , É r ì r \ " f 6 x ÷ & ¦ e

[15, 16]. : r z ´+ « >\ " f H ZrF K5 Å q ! Q( 8 £ x s 7 £ x Ã Ì ) a Si(100) l ó ø Í 0 A\ HVPE(hydride vapor phase epitaxy) © u

\ ¦ s 6 x # $ " é ¶ GaN\ ¦ $ í © r 6 £ §, $ í © : r ¸

¸| \ É r o ª © ` ¦ Ðs H GaN _ ½ ¨ ¸& h : £ ¤

` ¦ ¶ ú ( R Ð ¦ ô Ç .

: r z ´+ « > É r Si(100) l ó ø Í 0 A\ c 7 £ x Ã Ì~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ZrF K5 Å q` ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð + þ A$ í ô Ç + ', GaN\ ¦ HVPE ~ ½ ÓZ O Ü ¼

Ð $ í © r v H í H " f Ð ' % i . $ y l ó ø Í É r ³ ð

\ " f & h Ü ¼ Ð Ò q t$ í ÷ & H í ß o} ` ¦ ] j l 0 AK BOE(Buffered Oxide Etch)6 xÓ o\ " f 10ì r ç ß % o \ ¦ 5

g [ j : r \ " f 5ì r, B jò ø Í` ¦ \ " f 5ì r ç ß í6 £ § Ä »l [ j'

¦ % i . [ j' ) a r « Ñ H / B I Ð c 7 £ x µ 1 Ïl \ ©

Ã

Ìr ( Ü ¼ 9, 7 £ x Ã Ì f Õ þ ! Q ? /Â Ò / B N ¸\ ¦ 10

Torr & ñ ¸ Ð Ä »t r © I \ " f 83 mA_ À Ó\ ¦

# ZrF K5 Å q` ¦ 30 nm ¿ ºa Ð 7 £ x Ã Ì % i . s X O > ! Q (

8 £ x + þ A$ í s ¢ - a « Ñ÷ & , Õ ª 0 A\ Ã º¨ î + þ A HVPE © u \ ¦ 6

x # GaN\ ¦ $ í © r ( .

Figure 1 \ " f ^ ¦ Ã º e H ü < ° ú s : r z ´+ « >\ " f 6

x ) a Ã º¨ î + þ A HVPE H èÛ ¼% ò % i (source zone), ì ø Í6 £ x% ò

(reaction zone), $ í © % ò % i (growth zone)Ü ¼ Ð ½ ¨ì r ÷ &# Q y

y _ % ò % i _ : r ¸\ ¦ 1 l qw n & h Ü ¼ Ð { 9 & ñ > ¸] X ½ + É Ã º e

> % i . s z ´+ « >\ " f H èÛ ¼% ò % i ` ¦ 850

% i ` ¦ 1050

C Ð [ O & ñ % i ¦, $ " é ¶ GaN $ í © ÷ & H

% i É r ' z ´+ « >\ H # : r ¸ 600

÷ & H t & h \ r « Ñ\ ¦ © Ã Ìr ( [17]. s M : GaN H HCl õ NH

Û ¼| ¾ Ó q Ö ¦ s 1:38, N

H o # QÛ ¼ Ä »| ¾ Ós 1140 sccm _ ¸| \ " f 30ì r ç ß $ í © ÷ &% 3 Ü ¼ 9, $ í © ` ¦

2 ; r ¼ # É r FE-SEM(field emission-scanning electron mi- croscopy) ü < × æ ç ß ì r K 0 p x XRD(X-ray diffraction)\ ¦ s 6 x

# 2θ/ω-scan, Ψ-rocking / B G , F G& h ¸(pole figure) 8 £ ¤

ñ ` ¦ : x K GaN_ ³ ð + þ A © x 9 & ñ < Æ& h : £ ¤$ í ` ¦ ¶ ú ( R

Ð ¤ .

GaN$ í © É r : r ¸ ¸| \ $ í © B j& m 7 £ § \ \ V ô Ç ì

ø Í6 £ x` ¦ Ðs H X < $ í © : r ¸ Z }` ¦ M : H s " é ¶ ¨ î + þ AI _

$ í © s s À Ò# Qt t ë ß : r ¸ ? / 9° ú Ã º2 ¤ 8 £ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_

© Ð Ã ºf ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ $ í © Ò ¦ s 7 £ x ô Ç [18]. Fig.

2(a) H Zr/Si(100) l ó ø Í` ¦ s 6 x # 600