ºX ì Ä ¤V R Ë8 ý V ê så ¾ Ëå ¾ Ë4 ; c å ¾ Ë X ¢ w ² o

(1)

(11-20) ì Å ZnO M m8 ý ° Ç% iP S »ì Å] k ùV ê sÊ Ý

ºX ì Ä ¤V R Ë8 ý V ê så ¾ Ëå ¾ Ë4 ; c å ¾ Ë X ¢ w ² o

¤ . > * ° · L |) ç V · Ð ¤ . > · ç ¡U Ú

ô

Ç² D G K ª @ / < Æ § ¸ì ø Í ¸^ / B N < Æõ , Â Òí ß 606-791

T

ç ¡?

ô

Ç² D G K ª @ / < Æ § ~ Ã Ì l > / B N < ÆÂ Ò, Â Òí ß 606-791

T 4 w H<

1 l

x _ @ / < Æ § ¸/ B N < Æõ , Â Òí ß 609-735

Takafumi Yao

Center for Interdisciplinary Research, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan (2010¸ 12 Z 4 6{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 3 Z 4 2{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 5 Z 4 6{ 9 > F S X & ñ )

(11-20) ZnO l ó ø Í_ ³ ð ` ¦ & ñ $ í © \ & h ½ + Ë ¸2 ¤ ¨ î ò ø Í o l 0 A # í ß è ì r · ú ? /\ " f \ P

%

o \ ¦ z ´r % i ¦, ³ ð + þ A © _ o\ É r ½ ¨ ¸& h : £ ¤$ í _ o\ ¦ ¦¹ 1 Ï % i . Atomic Force Mi- croscopy(AFM) õ Ð 950

^◦

C \ " f \ P % o ô Ç r « Ñ H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Óõ m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_ ¿ º ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð ³ ð Û ¼9 \ s

+ þ A$ í ÷ &# Q e % 3 ¦, \ P % o : r ¸\ ¦ 1200

^◦

C Ð 7 £ x r v Û ¼9 \ g As { 9 # Q m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó ³ ð Û ¼9 \

É

r t ¦ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó Û ¼9 \ _ Z } s 7 £ x < Ê` ¦ ' a ¹ 1 Ï % i . Õ ª Q X-ray diffraction õ H \ P % o

:

r ¸ 1200

^◦

C t 7 £ x K ¸ t 5 Å q& h Ü ¼ Ð omega Û ¼ ± põ omega-2theta Û ¼ ± p_ ì ø Íu ; ¤ s × ¦ # Q[ þ t ¦ q

@

/g A$ í s ¾ Ó © ÷ &# Q : r ¸\ q Y V # & ñ $ í s ¾ Ó © H d` ¦ · ú Ã º e % 3 . s Qô Ç õ ÐÂ Ò' (11-20) ZnO l ó ø Í_ ³ ð \ H © { © ô Ç ¿ ºa _ ³ ð < H © 8 £ x s > r F # , \ P % o ë ß Ü ¼ Ð s \ ¦ ] j K ¨ î ò ø Í ¦

& ñ $ í s ª ñô Ç ³ ð ` ¦ % 3 H כ s 4 H ê ø Í 9 Z > ¸_ ' / B N& ñ _ ¸{ 9 ` ¦ Ð H כ s 9 כ ¹ < Ê` ¦ · ú Ã

º e % 3 .

Ù þ

d # Q: ZnO l ó ø Í, Á ºF G$ í , \ P % o

Investigation of the Relationship between the Surface Morphology and the Structural Properties of Annealed (11-20) ZnO Substrates

Jinyeop Yoo · Sungkuk Choi · Yujin Cho · Jiho Chang ^∗

Department of nano semiconductor, Korea Maritime University, Busan 606-791

Sangtae Lee

Division of Mechatronics Engineering, Korea Maritime University, Busan 606-791

Wonjae Lee

Department of nano technology, Dong Eui University, Busan 609-735

Takafumi Yao

-530-

(2)

Center for Interdisciplinary Research, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan (Received 6 December 2010 : revised 2 March 2011 : accepted 6 May 2011)

We have investigated the relation between the structural properties and the surface morphology of (11-20) ZnO substrates thermally treated in an O

2

ambient. Surface steps in both the c- and the m- axis directions were observed from the sample annealed at 950

^◦

C. However, when we increased the annealing temperature to 1200

^◦

C, the m-axis direction step disappeared, and the c-axis direction step height became higher due to step bunching, which indicates that the annealing temperature was too high. The XRD results showed opposite tendency. With increasing annealing temperature, the full width at half maximum (FWHM) values of the omega and the omega-2theta scans were continually narrowed, indicating improved crystal quality. These results reveal that the damaged surface layer has a considerable thickness; hence, a pre-surface treatment to remove the damaged surface layer before the thermal treatment should be considered.

PACS numbers: 81.05.Dz, 81.40.Ef, 61.72.Cc

Keywords: ZnO substrate, Non-polar, Thermal annealing

I. " e Â ] Ø

ZnO H GaN ü < & ñ Ã º Â Ò& ñ ½ + Ës & h ¦ & ñ ½ ¨ ¸

1 l x{ 9 # GaN $ í © 6 x l ó ø ÍÜ ¼ Ð" f_ 0 p x$ í s Å Ò3 l q ~ Ã Î

M ® o [1, 2]. t ë ß ¦ : r \ " f ì ø Í6 £ x$ í Û ¼ 6 x ÷ &

H | 9 oÓ ü t ì ø Í ¸^ ~ Ã Ì} & ñ $ í © ¨ 8 â \ " f 2 [ ô Ç é ß

&

h M :ë H \ GaN $ í © 6 x l ó ø ÍÜ ¼ Ð & h F G Ö ¸6 x ÷ &t 3 l wÙ þ ¡ [3]. (0001) (c )Ü ¼ Ð $ í © ô Ç ~ Ã Ì} \ " f H built- in-field \ _ ô Ç µ 1 Ï F g ´ òÖ ¦ _ $ y É r (1-100) GaN(m GaN) (11-20) GaN(a GaN) ü < ° ú É r Á ºF G$ í GaN _

â Ä º\ þ j è o | ¨ c Ã º e l M :ë H \ [4], ª ô Ç l ó ø Í` ¦

&

h

6 x # ª | 9 _ Á ºF G$ í GaN $ í © ` ¦ 0 Aô Ç ´ ú § É r r ¸

s

, X& . t ë ß Á ºF G$ í GaN _ $ í © É r $ í © × æ µ 1 ÏÒ q t

H < Ê_ ë H ] j\ ¦ K t 3 l w # s : r& h µ 1 Ï F g ´ òÖ ¦

`

¦ ° ú H ¦´ òÖ ¦ è _ ½ ¨ & ³ É r f ¸ # Q 9î r z ´& ñ s [5–8]. þ j H ¦´ òÖ ¦ µ 1 Ï F g è > hµ 1 Ï` ¦ 0 Aô Ç Á ºF G$ í | 9 oÓ ü t

~ Ã

Ì} $ í © \ ' a ô Ç ' a d s Z } t " f [9–12] Á ºF G$ í ZnO l

ó ø Í © _ GaN $ í © \ @ /ô Ç ' a d s r F K Z } t ¦ e

[13,14].

ZnO \ ¦ GaN $ í © \ s 6 x 9 ¦ : r × æ ì ø Í6 £ x$ í

Û ¼\ @ /ô Ç 2 [ $ í , > 8 £ x _ + þ A$ í 1 p x _ ë H ] j\ ¦ [3]

rx l 0 A # PLD(Pulsed Laser Deposition) MBE(Molecular Beam Epitaxy) \ ¦ s 6 x ô Ç q §& h $ : r

\

" f & ñ $ í © s 0 p x ô Ç ~ ½ ÓZ O ` ¦ s 6 x ½ + É 9 כ ¹ e . ì r

\ x × þ r \ ¦ s 6 x K ª | 9 _ ~ Ã Ì} ` ¦ $ í © l 0 AK

"

f H ³ ð s ¨ î ò ø Íô Ç ZnO l ó ø Ís 9 כ ¹ ¦ " f ZnO

∗

E-mail: jiho [email protected]

l

ó ø Í_ ³ ð % o l Õ ü t > hµ 1 Ïs 9 כ ¹ . t ë ß ZnO _

â

Ä º o < Æ& h d y \ B Ä º 2 [ Ù ¼ Ð o < Æ& h d y ` ¦ : x K

¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦ ë ß × ¼ H כ É r B Ä º j Ë µ H כ Ü ¼ Ð · ú 94 R e

[15]. " f : r ½ ¨\ " f H a ZnO l ó ø Í_ ¨ î ò ø Í ô

Ç ³ ð ` ¦ % 3 l 0 AK \ P % o ~ ½ ÓZ O ` ¦ × þ % i ¦, Ä º \ P

%

o ¸| \ É r ³ ð õ & ñ $ í _ o\ ¦ ¸ # c ZnO l ó ø Íõ ° ú s \ P % o ë ß Ü ¼ Ð & ñ $ í © s 0 p x ô Ç © I

¨ î ò ø Í ¦ ª ñô Ç & ñ $ í ` ¦ ° ú H ³ ð ` ¦ + þ A$ í H

כ

s 0 p x ô Çt S X % i .

II. ÷ m Ç ] M ö

: r ½ ¨\ " f H a ZnO l ó ø Í_ ³ ð ` ¦ ¨ î ò ø Í o ¦ ³ ð

Â Ò H _ & ñ $ í ` ¦ ¾ Ó © r v l 0 AK Ã º¨ î + þ A Furnace

\

" f \ P % o \ ¦ z ´r % i . 6 x ô Ç l ó ø Í É r © 6 x ÷ & ¦ e

H(Tokyo Denpa co., Ltd.) a ZnO l ó ø Í` ¦ 6 x % i ¦

\ P

% o × æ O _ Z } É r ì r · ú \ _ ô Ç ³ ð _ \ P o\ ¦ } l 0 A K

[16] \ P % o ¸× æ Furnace ? /Â Ò\ O

²

\ ¦ 1.0 L/min Ü ¼

Ð f Ë 9Å Ò% 3 . \ P % o : r ¸ H y y 950

^◦

C, 1200

^◦

C Ð 3 r ç ß m \ P % o ' ÷ &% 3 . ³ ð + þ A © ` ¦ ' a ¹ 1 Ï l 0 A K

Atomic Force Microscopy(SII nanotechnology Inc. L- Trace II with nanonavi) ` ¦ 6 x % i ¦, High Resolution X-ray Diffraction(PANalytical Ltd. X’Pert PRO MRD)

\

¦ s 6 x K ½ ¨ ¸& h : £ ¤$ í ` ¦ ¨ î % i . % 3 # Q ³ ð + þ A © _

oü < HRXRD \ ¦ s 6 x # 8 £ ¤& ñ ô Ç ½ ¨ ¸& h õ s

_ © ' a ' a > \ ¦ ç ß é ß ô Ç ¸4 S q` ¦ s 6 x # ¦¹ 1 Ï % i .

(3)

Fig. 1. (Color online) AFM image of a-plane ZnO sub- strates (a) As-received, annealed at (b) 950

^◦

C and (c) 1200

^◦

C. III. + s ÇÊ Ý õ m Í w ² o

a ZnO l ó ø Í_ \ P % o Ê ê l ó ø Í ³ ð _ © I \ ¦ S X K

Ðl 0 AK AFM 8 £ ¤& ñ ` ¦ z ´r % i . Fig. 1 É r a ZnO l ó ø Í_ (a) \ P % o õ (b) 950

^◦

C, (c) 1200

^◦

C \

"

f \ P % o ô Ç Ê ê_ ³ ð © I s . Fig. 1(a) \ " f Ð1 p w s l

ó ø Í ³ ð \ H ´ ú § É r ³ ð < H © s > r F ¦ e . s ³ ð

< H © É r â \ ¦ 0 Aô Ç chemo-mechanical polishing \ _

ô Ç כ Ü ¼ Ð « Ñ÷ & 9 s Qô Ç < H © É r @ /> h ½ ¨ ¸& h < Ê

`

¦ 1 l x ì ø Í Ù ¼ Ð & ñ $ í © \ s 6 x l \ Â Ò& h ] X ô Ç ³ ð e

`

¦ · ú Ã º e . { 9 ì ø Í& h ì ø Í ¸^ l ó ø Í_ â Ä º ³ ð _ < H

© 8 £ x É r o < Æ& h d y \ _ K " f 6 x s > ] j # ' õ A& ñ

¦ ¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦ % 3 ` ¦ Ã º e Ü ¼ ZnO _ â Ä º { 9 ì ø Í

&

h o < Æ& h d y 6 xÓ o 5 Å q \ " f ] j# Q Ô ¦ 0 p x ½ + É & ñ ¸ Ð

É

r \ g A 5 Å q ¸\ ¦ t Ù ¼ Ð o < Æ& h d y ` ¦ s 6 x l j Ë µ[ þ t

. Fig. 1(b) ü < (c) H y y 950

^◦

C ü < 1200

^◦

C \ " f \ P % o

ô Ç ³ ð _ AFM s . ³ ð } 9 l H y y 0.228 nm, 1.268 nm, 1.315 nm Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 Ü ¼ 9 950

^◦

C H 7 á x A

_ ½ ¨\ " f [17,18] · ú 9 c ZnO l ó ø Í_ \ P % o ¸

|

Ü ¼ Ð, c ZnO l ó ø Í_ â Ä º\ H s : r ¸ # 3 0 A\ " f ³ ð

" é ¶ 8 £ x + þ A$ í \ É r ³ ð _ > h s S X ÷ &% 3 . ¢ ¸ô Ç c (4.3 J/m

²

) Ð m (2.3 J/m

²

) s a (2.5 J/m

²

) s

³ ð \ -t ± ú Ü ¼Ù ¼ Ð \ P % o r Z } É r : r ¸ 9 כ ¹

½

+ É כ Ü ¼ Ð ó ø Íé ß ÷ &# Q 1200

^◦

C _ Z } É r : r ¸\ " f ¸ z ´+ « >` ¦ z

´r % i .

Figure 1(b) _ â Ä º\ H c ZnO _ õ ü < ð ø Í

t

Ð ³ ð \ Û ¼9 \ ½ ¨ ¸ + þ A$ í H d` ¦ S X ½ + É Ã º e % 3 . Û ¼ 9

\ _ ~ ½ Ó ¾ Ó É r ZnO l ó ø Í_ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó` ¦ ¾ Ó ¦ e Ü ¼ 9 _

Û ¼ H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó\ Ã ºf ô Ç ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð + þ A$ í ÷ &# Q e . ¢ ¸ ô

Ç _ Û ¼ ? /\ ¸ m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó` ¦ ¾ Ó H ? /Â Ò Û ¼9 \ ½ ¨ ¸

'

a ¹ 1 Ï÷ &# Q l ó ø Í ³ ð _ ~ ½ Ó ¾ Ós & ñ S X ô Ç a» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ ÐÂ Ò' c» ¡ ¤ õ m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð y y â y ` ¦ ° ú ¦ e 6 £ §` ¦ · ú Ã º e

. : r ¸\ ¦ 8 Z } # 1200

^◦

C \ " f \ P % o ô Ç õ Fig.

1(c) \ " f H Fig. 1(b) \ " f ' a ¹ 1 Ï ) a m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð + þ A$ í ) a Û

¼9 \ [ þ t s g A÷ &# Q t ¦ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_ Û ¼9 \ ë ß > r F 9 ± ú É r : r ¸\ " f \ P % o ô Ç â Ä º Ð 8 ½ ©g Ë :& h C \ P

`

¦ s À Ò ¦ e H כ s S X ÷ &% 3 . Õ ª Q Fig. 1(c) \ " f

Ðs H ³ ð É r Û ¼9 \ _ ¨ î ç H Z } s 3.1 nm Ð s © & h é

ß " é ¶ 8 £ x Û ¼9 \ ` ¦ t ¦ e H â Ä º Û ¼9 \ _ Z } s 0.28 nm e õ q §½ + É M : 11> h & ñ ¸_ é ß " é ¶ 8 £ x Û ¼9 \ s g A÷ &# Q e H + þ AI s . S. Stoyanov 1 p x \ Ø Ô Û ¼9 \ g A É r ¦ : r \ " f " é ¶ _ S X í ß s " é ¶ Ö ¸ K t " f " é ¶ : £ ¤

&

ñ Û ¼9 \ ` ¦ × æd Ü ¼ Ð F C \ P ÷ &l M :ë H \ { 9 # Q H כ Ü ¼

Ð [ O " î ÷ &# Q e [19–21]. s M : ³ ð " é ¶ [ þ t _ S X í ß \ - t

H _ Û ¼ U ´s _ o \ ¦ ° ú H & ñ ¸ Ð Û ¼9 \ ` ¦ Å # Q s 1

l

x s { 9 # Q± ú ë ß p u Ø æì r t · ú § É r כ Ü ¼ Ð [ O " î ¦ e Ü ¼ 9 [22–26], 7 á x A _ ½ ¨ õ \ " f ¸ [18, 20] ¦ : r{ 9 Ã º2 ¤ Û

¼9 \ g As ì r" î K t H & h Ü ¼ Ð ó ø Íé ß ½ + É M : 1200

^◦

C \ " f Û

¼9 \ g As 950

^◦

C Ð 8 S X > ' a ¹ 1 Ï ) a כ É r \ P \

-t \ _ ô Ç ³ ð " é ¶ _ S X í ß o 7 £ x \ _ ô Ç & ³ © e

`

¦ z ´ » ~ Ã Îg Ë >ô Ç . " f s ¸| É r & h ] X ô Ç \ P % o ¸| ` ¦

# Á

# Qè ß # 3 0 A ¦ ó ø Íé ß ½ + É Ã º e .

a ZnO l ó ø Í_ \ P % o \ _ ô Ç ³ ð _ oü < & ñ $ í _

o\ ¦ S X l 0 AK HRXRD \ ¦ s 6 x K 8 £ ¤& ñ % i

. : r ½ ¨\ " f H (110) õ (101) \ @ /K " f y y ω Û

¼ ± põ ω-2θ Û ¼ ± p` ¦ z ´r % i . Fig. 2 \ · p כ %

! 3

(110) \ @ /ô Ç ω Û ¼ ± põ ω-2θ Û ¼ ± p É r y y ³ ð ? / _

& ñ ¸y o(Mosaicity) ü < ³ ð ? /Â Ò_ r] X ç ß o

_ ì r í\ ¦ ' a ¹ 1 Ï l < Ês ¦, (101) \ @ /ô Ç ω Û ¼ ± p õ

ω-2θ Û ¼ ± p É r 1 l x{ 9 ô Ç % ò ¾ Ó` ¦ y y ³ ð \ Ã º¨ î ô Ç ~ ½ Ó ¾ Ó Ü

¼ Ð ' a ¹ 1 Ï l 0 A < Ês .

Figure 3(a) \ H (110) ω Û ¼ ± p õ \ ¦, Fig. 3(b) \

H (101) ω Û ¼ ± p õ \ ¦ y y & ñ o % i . Ð: x x r ] X

s Ã º s ß ¼ Ðp ' ¿ ºa t { 9 # Q " f ³ ð < H © s

µ 1 ÏÒ q t½ + É Ã º e t ë ß l ó ø Í ] j r µ 1 ÏÒ q t H offset Ü ¼ Ð ô

Ç Ô ¦ç H{ 9 ô Ç ³ ð s ° ú H é ß & h ` ¦ ¢ - a o l 0 AK z ´r ô Ç polishing \ O \ q K p [ j ¦ ó ø Íé ß ) a . Õ ªA " f : r

½ ¨\ " f H X r] X \ _ ô Ç ³ ð < H © É r C ] j % i .

ω Û ¼ ± p_ ì ø Íu ; ¤ É r y y Fig. 3(a) \ " f 258, 231, 147

arcsec Ð y è % i ¦, Fig. 3(b) \ " f H 287, 247, 134

(4)

Fig. 2. Schematic illustration of ω scan and ω-2θ scan for symmetrical and asymmetrical diffraction planes of (11-20) ZnO substrates. K

i

: incident wave vector, K

s

: scattered wave vector, θ : diffraction angle.

arcsec Ð \ P % o : r ¸ Z } f \ t 5 Å q& h Ü ¼ Ð ì ø Í u

; ¤ s y è ¦ e 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e Ü ¼ 9, : £ ¤ y 950

^◦

C

\

" f 1200

^◦

C Ð : r ¸\ ¦ 7 £ x r â Ä º & ñ $ í s @ /; ¤ ¾ Ó

© H d s S X ÷ &% 3 . ¢ ¸ô Ç \ P % o _ r « Ñ H q @ /g A& h

X r] X x ß ¼\ ¦ Ðs H X < q K , \ P % o ' | ¨ c Ã º 2

¤ q @ /g A ¸ × ¦ # Q[ þ t% 3 . s H X ω Û ¼ ± p_ ì ø Íu ; ¤

É

r & ñ _ ¸y o & ñ ¸\ ¦ ? /Ù ¼ Ð, ì ø Íu ; ¤ _ y è H Å

Ò Ð ³ ð \ | 9 × æ ÷ &# Q e H < Ê_ $ y \ _ ô Ç כ Ü ¼ Ð ó

ø Íé ß ) a .

Figure 4(a) H (110) ~ ½ Ó ¾ Ó\ " f_ ω-2θ Û ¼ ± p õ \ ¦, (b)

H (101) ~ ½ Ó ¾ Ó\ " f_ ω-2θ Û ¼ ± p õ \ ¦ & ñ o % i . ω-2θ

Fig. 3. (a) (110) and (b) (101) ω scan results.

Fig. 4. (a) (110) and (b) (101) ω-2θ scan results.

Û

¼ ± p_ ì ø Íu ; ¤ % i r (a) \ " f 214, 189, 147 arcsec Ð (b)

\

" f 302, 238, 147 arcsec Ð, ω Û ¼ ± p\ " fü < ð ø Ít Ð

¿

º õ \ " f ¸¿ º \ P % o : r ¸_ 7 £ x \ ì ø Íu ; ¤ s t

5 Å q& h Ü ¼ Ð y è % i . 8 £ ¤& ñ # 3 0 A ? /_ r] X [ þ t _ ç

ß o _ ì r í\ ¦ ' a ¹ 1 Ï H ~ ½ ÓZ O ω-2θ Û ¼ ± p_ ì ø Íu ; ¤ y

è H ³ ð \ Ã ºf ô Ç ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð 0 A\ ¦ { 9 Ü ¼v H

< Ê_ y è\ ¦ _ p ô Ç .

Figure 3 õ Figure 4 ¿ º t õ \ " f Å Ò3 l q ½ + É & h É r \ P

%

o_ ' a& h \ " f H 1200

^◦

C \ " f \ P % o ô Ç r « Ñ H õ \ P

%

)

a < Ê_ $ y s H ' a& h \ " f ´ òõ e 6 £ §` ¦ ? /

¦ e Ü ¼Ù ¼ Ð, l ó ø Í ] j r â \ _ K µ 1 ÏÒ q t ) a ³ ð

ô Ç . " f C ZnO _ â Ä º\ H \ P % o : r ¸_

o\ É r XRD ì ø Íu ; ¤ _ y èü < ³ ð _ > h s _ { 9

u 9 ª ñô Ç & ñ $ í õ ¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦ ° ú H ¸| ` ¦

(5)

ë

ß 7 á ¤ H \ P % o ¸| ` ¦ ¸Ø ¦ ½ + É Ã º e H X < ì ø Í # [18], a ZnO l ó ø Í_ â Ä º\ H \ P % o ë ß Ü ¼ Ð ¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦

% 3

÷

& H \ P % o : r ¸ s \ ¦ t ¦ e 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e

% 3 .

IV. + s Ç Â ] Ø

a ZnO l ó ø Í_ ³ ð % o \ ¦ 0 AK " f Ã º¨ î + þ A Furnace

\

¦ s 6 x K í ß è ì r 0 Al ? /\ " f \ P % o \ ¦ ' % i . \ P

%

o Ð ô Ç ³ ð \ Û ¼9 \ ½ ¨ ¸ + þ A$ í H d` ¦ S X ½ + É Ã º e

% 3 t ë ß 1200

^◦

\

¦ s 6 x K (110) õ (101) \ @ /K " f y y ω Û ¼ ± põ ω-2θ Û ¼ ± p` ¦ z ´r % i Ü ¼ 9, \ P % o : r ¸_ 7 £ x \ t

5 Å q& h Ü ¼ Ð X ì ø Íu ; ¤ s y è÷ &# Q 1200

^◦

C & ñ ¸_ ¦

º e % 3 [19–21]. s Qô Ç õ Ð ó ø Íé ß ½ + É M : ± ú É r ³ ð

\

-t \ ¦ ° ú H Á ºF G$ í ZnO l ó ø Í_ â Ä º â õ & ñ

\

ø Í ¦ & ñ $ í s ª ñô Ç ³ ð ` ¦ % 3 H כ s 4 H ê ø Í 9 Z >

¸_ ' / B N& ñ _ ¸{ 9 ` ¦ Ð H כ s 9 כ ¹ < Ê` ¦ · ú Ã º e

% 3 .

P

c p 8 ý ò k >

: r ½ ¨ H t d â ] jÂ Ò x 9 & ñ Ð: x < É ª" é ¶ _ @ / < Æ IT ½ ¨G ' p' t " é ¶ \ O _ ½ ¨ õ Ð Ã º' ÷ &% 3 6 £ §(NIPA- 2010-C1090-1021-0015).

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] F. Hamdani, A. Botchkarev, W. Kim, H. Morko¸ c, M. Yeadon, J. M. Gibson, S.-C. Y. Tsen, David J.

Smith, D. C. Reynolds, D. C. Look, K. Evans, C.

W. Litton, W. C. Mitchel and P. Hemenger, Appl.

Phys. Lett. 70, 467 (1997).

[2] A. Kobayashi, H. Fujioka, J. Ohta and M. Oshima, J. Appl. Phys. 43, L53 (2004).

[3] E. S. Hellman, D. N. E. Buchanan, D. Wiesmann and I. Brener, MRS Internet J. Nitride Semicond.

Res. 1, 16 (1996).

[4] T. Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H. Takeuchi, H. Amano and I. Akasaki, Jpn. J. Appl.

Phys., Part 2 36, L382 (1997).

[5] P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, H. T. Grahn, J. Menniger, M. Ramsteiner, M. Reichem and K. H.

Ploog, Nature (London) 406, 865 (2000).

[6] M. D. Craven, S. H. Lim, F. Wu, J. S. Speck and S.

P. DenBaars, Appl. Phys. Lett. 81, 469 (2002).

[7] H. M. Ng, Appl. Phys. Lett. 80, 4369 (2002).

[8] M. Imura, A. Hoshino, K. Nakano, M. Tsuda, M.

Iwaya, S. Kamiyama, H. Amano and I. Akasaki, Jpn.

J. Appl. Phys., Part 1 44, 7418 (2005).

[9] J. Ohta, H. Fujioka, S. Ito and M. Oshima, Appl.

Phys. Lett. 81, 2372 (2002).

[10] J. Ohta, H. Fujioka and M. Oshima, Appl. Phys.

Lett. 83, 3060 (2003).

[11] Y. Kawaguchi, J. Ohta, A. Kobayashi and H. Fu- jioka, Appl. Phys. Lett. 87, 221907 (2005).

[12] M. H. Kim, M. Oshima, H. Kinoshita, Y. Shirakura, K. Miyamura, J. Ohta, A. Kobayashi and H. Fu- jioka, Appl. Phys. Lett. 89, 031916 (2006).

[13] A. Kobayashi, S. Kawano, K. Ueno, J. Ohta, H.

Fujioka, H. Amanai, S. Nagao and H. Horie, Appl.

Phys. Lett. 91, 191905 (2007).

[14] A. Kobayashi, S. Kawano, Y. Kawaguchi, J. Ohta and H. Fujioka, Appl. Phys. Lett. 90, 041908 (2007).

[15] F. Hamdani, M. Yeadon, D. J. Smith, H. Tang, W.

Kim, A. Salvador, A. E. Botchkarev, J. M. Gibson, A. Y. Polyakov, M. Skowronski and H. Morko¸ c, J.

Appl. Phys. 83, 983 (1998).

[16] A. Kobayashi, J. Ohta and H. Fujioka, Jpn. J. Appl.

Phys., Part 1 45, 5724 (2006).

[17] X. Gu, S. Sabuktagin, A. Teke, D. Johnstone, H.

Morkoc, B. Nemeth, J. Nause, J. Electron. Mater.

15, 373 (2004).

[18] M. W. Cho, C. Harada, H. Suzuki, T. Minegishi, T.

Yao, H. Ko, K. Maeda, I. Nikura, Superlattices and Microstructures 38, 349 (2005).

[19] S. Stoyanov, Jpn. J. Appl. Phys. 30, 1 (1991).

[20] A. Natori, T. Arai, H. Yasunaga, Surface Science

319, 243 (1994).

(6)

[21] K. Yagi, H. Minoda, M. Degawa, Surface Science Reports 43, 45 (2001).

[22] H. Nishinaka, S. Fujita, J. Crystal Growth 310, 5007 (2008).

[23] A. V. Latyshev, A. L. Aseev, A. B. Krasilnikov and S. I. Stenin, Surface Science 213, 157 (1989).

[24] W. W. Mullins and J. P. Hirth, J. Phys. Chem.

Solids 24, 1391 (1963).

[25] H. Bethge and K. W. Keller, J. Crystal Growth 23, 105 (1974).

[26] H. Bethge, H. Hiiche, D. Katzer, K. W. Keller, P.

Bennema and B. van der Hoek, J. Crystal Growth

48, 9 (1980).

 ºX ì Ä  ¤V R Ë8 ý V ê så ¾ Ëå ¾ Ë4 ; c å ¾ Ë X ¢ w ² o

(11-20) ì Å ZnO M   m8 ý °  Ç% iP  S   »ì Å] k ùV ê sÊ Ý



 ºX ì Ä  ¤V R Ë8 ý V ê så ¾ Ëå ¾ Ë4 ; c å ¾ Ë X ¢ w ²  o

­

¤ . > * ° · L |) ç V   ·  Ð­ ¤ . > ·  ç ¡U  Ú

ô

 Ç² D G K  ª @ / < Æ §  ¸ì ø Í ¸^ / B N  < Æõ , Â Òí ß  606-791

T

 ç ¡? 

ô

 Ç² D G K  ª @ / < Æ §   ~ Ã Ì   l > / B N  < ÆÂ Ò, Â Òí ß  606-791

T 4 w H< 

1 l

x _ @ / < Æ §  ¸/ B N  < Æõ , Â Òí ß  609-735

Takafumi Yao

Center for Interdisciplinary Research, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan (2010¸  12 Z 4 6{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  3 Z 4 2{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  5 Z 4 6{ 9  > F  S X & ñ )

(11-20)  ZnO l ó ø Í_  ³ ð  `  ¦   & ñ $ í  © \  & h ½ + Ë  ¸2  ¤ ¨ î ò ø Í o l  0 A #  í ß  è ì  r · ú  ? /\ " f \ P 

%

o \  ¦ z ´r  % i  ¦, ³ ð  + þ A © _    o\    É r ½ ¨ ¸& h : £ ¤$ í _    o\  ¦  ¦¹ 1 Ï % i  . Atomic Force Mi- croscopy(AFM)   õ  Ð 950

C \ " f \ P % o ô  Ç r « Ñ  H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Óõ  m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_  ¿ º ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð ³ ð  Û ¼9 \  s

 + þ A$ í ÷ &# Q e  % 3  ¦, \ P % o   : r  ¸\  ¦ 1200

C  Ð 7 £ x r v   Û ¼9 \    g As  { 9 # Q  m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó ³ ð  Û ¼9 \ 

 É

r   t  ¦ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó Û ¼9 \ _  Z  } s  7 £ x  < Ê`  ¦  ' a ¹ 1 Ï % i  . Õ ª Q  X-ray diffraction   õ   H \ P % o 

 :

r  ¸ 1200

C  t  7 £ x K  ¸ t 5 Å q& h Ü ¼ Ð omega Û ¼ ± põ  omega-2theta Û ¼ ± p_  ì ø Íu ;  ¤ s  ×  ¦ # Q[ þ t  ¦ q 

@

 

& ñ $ í s   ª  ñô  Ç ³ ð  `  ¦ % 3   H  כ s   4 H ê ø Í  9 Z >  ¸_    '   / B N& ñ _   ¸{ 9 `  ¦    Ð   H  כ s   9 כ ¹ < Ê`  ¦ · ú  Ã

º e  % 3  .

Ù þ

d  # Q: ZnO l ó ø Í, Á ºF G$ í , \ P % o 

Investigation of the Relationship between the Surface Morphology and the Structural Properties of Annealed (11-20) ZnO Substrates

Jinyeop Yoo · Sungkuk Choi · Yujin Cho · Jiho Chang ∗

Department of nano semiconductor, Korea Maritime University, Busan 606-791

Sangtae Lee

Division of Mechatronics Engineering, Korea Maritime University, Busan 606-791

Wonjae Lee

Department of nano technology, Dong Eui University, Busan 609-735

Takafumi Yao

-530-

Center for Interdisciplinary Research, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan (Received 6 December 2010 : revised 2 March 2011 : accepted 6 May 2011)

We have investigated the relation between the structural properties and the surface morphology of (11-20) ZnO substrates thermally treated in an O

ambient. Surface steps in both the c- and the m- axis directions were observed from the sample annealed at 950

C. However, when we increased the annealing temperature to 1200

PACS numbers: 81.05.Dz, 81.40.Ef, 61.72.Cc

Keywords: ZnO substrate, Non-polar, Thermal annealing

I. " e Â ] Ø

ZnO   H GaN ü <    & ñ Ã º Â Ò& ñ ½ + Ës  & h  ¦   & ñ ½ ¨ ¸

1

l x{ 9  #  GaN $ í  © 6 x l ó ø ÍÜ ¼ Ð" f_  0 p x$ í s  Å Ò3 l q ~ Ã Î



 M ® o  [1, 2]. t ë ß   ¦ : r \ " f ì ø Í6 £ x$ í Û ¼  6 x ÷ &



 H | 9  oÓ ü t ì ø Í ¸^  ~ Ã Ì}    & ñ $ í  ©  ¨ 8  â \ " f 2 [  ô  Ç é ß 

&

  â Ä º\  þ j è o | ¨ c Ã º e  l  M :ë  H \  [4],  ª ô  Ç l ó ø Í`  ¦

&

h

6 x #   ª | 9 _  Á ºF G$ í GaN $ í  © `  ¦ 0 Aô  Ç ´ ú § É r r  ¸

s

, X&   . t ë ß  Á ºF G$ í GaN _  $ í  ©  É r $ í  ©  ×  æ µ 1 ÏÒ q t

  H    < Ê_  ë  H ] j\  ¦ K    t  3 l w #  s  : r& h µ 1 Ï F g ´ òÖ  ¦

`

 ¦ ° ú   H  ¦´ òÖ  ¦  è _  ½ ¨ & ³ É r  f   ¸ # Q 9î  r z ´& ñ s   [5–8]. þ j   H  ¦´ òÖ  ¦ µ 1 Ï F g  è  > hµ 1 Ï`  ¦ 0 Aô  Ç Á ºF G$ í | 9  oÓ ü t

~ Ã

Ì}  $ í  © \   ' a ô  Ç  ' a d  s  Z  }  t   " f [9–12] Á ºF G$ í ZnO l

ó ø Í © _  GaN $ í  © \  @ /ô  Ç  ' a d  s  r F K Z  }  t  ¦ e  

 [13,14].

ZnO \  ¦ GaN $ í  © \  s 6 x  9   ¦ : r ×  æ ì ø Í6 £ x$ í

Û ¼\  @ /ô  Ç 2 [  $ í , >   8 £ x _  + þ A$ í 1 p x _  ë  H ] j\  ¦ [3]

rx  l  0 A #  PLD(Pulsed Laser Deposition)  MBE(Molecular Beam Epitaxy) \  ¦ s 6 x ô  Ç q  §& h $  : r

\

" f   & ñ $ í  © s  0 p x ô  Ç ~ ½ ÓZ O `  ¦ s 6 x ½ + É  9 כ ¹ e   . ì  r



  \ x × þ r \  ¦ s 6 x K   ª | 9 _  ~ Ã Ì}  `  ¦ $ í  ©  l  0 AK 

"

f  H ³ ð  s  ¨ î ò ø Íô  Ç ZnO l ó ø Ís   9 כ ¹  ¦   " f ZnO

ºX ì Ä ¤V R Ë8 ý V ê så ¾ Ëå ¾ Ë4 ; c å ¾ Ë X ¢ w ² o

(11-20) ì Å ZnO M m8 ý ° Ç% iP S »ì Å] k ùV ê sÊ Ý

ºX ì Ä ¤V R Ë8 ý V ê så ¾ Ëå ¾ Ë4 ; c å ¾ Ë X ¢ w ² o

¤ . > * ° · L |) ç V · Ð ¤ . > · ç ¡U Ú

Ç² D G K ª @ / < Æ § ¸ì ø Í ¸^ / B N < Æõ , Â Òí ß 606-791

ç ¡?

Ç² D G K ª @ / < Æ § ~ Ã Ì l > / B N < ÆÂ Ò, Â Òí ß 606-791

T 4 w H<

x _ @ / < Æ § ¸/ B N < Æõ , Â Òí ß 609-735

Center for Interdisciplinary Research, Tohoku University, Sendai, 980-8577, Japan (2010¸ 12 Z 4 6{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 3 Z 4 2{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 5 Z 4 6{ 9 > F S X & ñ )

(11-20) ZnO l ó ø Í_ ³ ð ` ¦ & ñ $ í © \ & h ½ + Ë ¸2 ¤ ¨ î ò ø Í o l 0 A # í ß è ì r · ú ? /\ " f \ P

o \ ¦ z ´r % i ¦, ³ ð + þ A © _ o\ É r ½ ¨ ¸& h : £ ¤$ í _ o\ ¦ ¦¹ 1 Ï % i . Atomic Force Mi- croscopy(AFM) õ Ð 950

C \ " f \ P % o ô Ç r « Ñ H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Óõ m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó_ ¿ º ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð ³ ð Û ¼9 \ s

+ þ A$ í ÷ &# Q e % 3 ¦, \ P % o : r ¸\ ¦ 1200

C Ð 7 £ x r v Û ¼9 \ g As { 9 # Q m» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó ³ ð Û ¼9 \

É

r t ¦ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó Û ¼9 \ _ Z } s 7 £ x < Ê` ¦ ' a ¹ 1 Ï % i . Õ ª Q X-ray diffraction õ H \ P % o

:

r ¸ 1200

C t 7 £ x K ¸ t 5 Å q& h Ü ¼ Ð omega Û ¼ ± põ omega-2theta Û ¼ ± p_ ì ø Íu ; ¤ s × ¦ # Q[ þ t ¦ q

& ñ $ í s ª ñô Ç ³ ð ` ¦ % 3 H כ s 4 H ê ø Í 9 Z > ¸_ ' / B N& ñ _ ¸{ 9 ` ¦ Ð H כ s 9 כ ¹ < Ê` ¦ · ú Ã

º e % 3 .

d # Q: ZnO l ó ø Í, Á ºF G$ í , \ P % o

Jinyeop Yoo · Sungkuk Choi · Yujin Cho · Jiho Chang ^∗

ZnO H GaN ü < & ñ Ã º Â Ò& ñ ½ + Ës & h ¦ & ñ ½ ¨ ¸

l x{ 9 # GaN $ í © 6 x l ó ø ÍÜ ¼ Ð" f_ 0 p x$ í s Å Ò3 l q ~ Ã Î

M ® o [1, 2]. t ë ß ¦ : r \ " f ì ø Í6 £ x$ í Û ¼ 6 x ÷ &

H | 9 oÓ ü t ì ø Í ¸^ ~ Ã Ì} & ñ $ í © ¨ 8 â \ " f 2 [ ô Ç é ß

â Ä º\ þ j è o | ¨ c Ã º e l M :ë H \ [4], ª ô Ç l ó ø Í` ¦

6 x # ª | 9 _ Á ºF G$ í GaN $ í © ` ¦ 0 Aô Ç ´ ú § É r r ¸

, X& . t ë ß Á ºF G$ í GaN _ $ í © É r $ í © × æ µ 1 ÏÒ q t

H < Ê_ ë H ] j\ ¦ K t 3 l w # s : r& h µ 1 Ï F g ´ òÖ ¦

¦ ° ú H ¦´ òÖ ¦ è _ ½ ¨ & ³ É r f ¸ # Q 9î r z ´& ñ s [5–8]. þ j H ¦´ òÖ ¦ µ 1 Ï F g è > hµ 1 Ï` ¦ 0 Aô Ç Á ºF G$ í | 9 oÓ ü t

Ì} $ í © \ ' a ô Ç ' a d s Z } t " f [9–12] Á ºF G$ í ZnO l

ó ø Í © _ GaN $ í © \ @ /ô Ç ' a d s r F K Z } t ¦ e

[13,14].

ZnO \ ¦ GaN $ í © \ s 6 x 9 ¦ : r × æ ì ø Í6 £ x$ í

Û ¼\ @ /ô Ç 2 [ $ í , > 8 £ x _ + þ A$ í 1 p x _ ë H ] j\ ¦ [3]

rx l 0 A # PLD(Pulsed Laser Deposition) MBE(Molecular Beam Epitaxy) \ ¦ s 6 x ô Ç q §& h $ : r

" f & ñ $ í © s 0 p x ô Ç ~ ½ ÓZ O ` ¦ s 6 x ½ + É 9 כ ¹ e . ì r

\ x × þ r \ ¦ s 6 x K ª | 9 _ ~ Ã Ì} ` ¦ $ í © l 0 AK

f H ³ ð s ¨ î ò ø Íô Ç ZnO l ó ø Ís 9 כ ¹ ¦ " f ZnO

ó ø Í_ ³ ð % o l Õ ü t > hµ 1 Ïs 9 כ ¹ . t ë ß ZnO _

â

Ä º o < Æ& h d y \ B Ä º 2 [ Ù ¼ Ð o < Æ& h d y ` ¦ : x K

¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦ ë ß × ¼ H כ É r B Ä º j Ë µ H כ Ü ¼ Ð · ú 94 R e

[15]. " f : r ½ ¨\ " f H a ZnO l ó ø Í_ ¨ î ò ø Í ô

Ç ³ ð ` ¦ % 3 l 0 AK \ P % o ~ ½ ÓZ O ` ¦ × þ % i ¦, Ä º \ P

o ¸| \ É r ³ ð õ & ñ $ í _ o\ ¦ ¸ # c ZnO l ó ø Íõ ° ú s \ P % o ë ß Ü ¼ Ð & ñ $ í © s 0 p x ô Ç © I

¨ î ò ø Í ¦ ª ñô Ç & ñ $ í ` ¦ ° ú H ³ ð ` ¦ + þ A$ í H

כ

s 0 p x ô Çt S X % i .

: r ½ ¨\ " f H a ZnO l ó ø Í_ ³ ð ` ¦ ¨ î ò ø Í o ¦ ³ ð

Â Ò H _ & ñ $ í ` ¦ ¾ Ó © r v l 0 AK Ã º¨ î + þ A Furnace

" f \ P % o \ ¦ z ´r % i . 6 x ô Ç l ó ø Í É r © 6 x ÷ & ¦ e

H(Tokyo Denpa co., Ltd.) a ZnO l ó ø Í` ¦ 6 x % i ¦

% o × æ O _ Z } É r ì r · ú \ _ ô Ç ³ ð _ \ P o\ ¦ } l 0 A K

[16] \ P % o ¸× æ Furnace ? /Â Ò\ O

\ ¦ 1.0 L/min Ü ¼

Ð f Ë 9Å Ò% 3 . \ P % o : r ¸ H y y 950

C Ð 3 r ç ß m \ P % o ' ÷ &% 3 . ³ ð + þ A © ` ¦ ' a ¹ 1 Ï l 0 A K

Atomic Force Microscopy(SII nanotechnology Inc. L- Trace II with nanonavi) ` ¦ 6 x % i ¦, High Resolution X-ray Diffraction(PANalytical Ltd. X’Pert PRO MRD)

¦ s 6 x K ½ ¨ ¸& h : £ ¤$ í ` ¦ ¨ î % i . % 3 # Q ³ ð + þ A © _

oü < HRXRD \ ¦ s 6 x # 8 £ ¤& ñ ô Ç ½ ¨ ¸& h õ s

_ © ' a ' a > \ ¦ ç ß é ß ô Ç ¸4 S q` ¦ s 6 x # ¦¹ 1 Ï % i .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í w ² o

a ZnO l ó ø Í_ \ P % o Ê ê l ó ø Í ³ ð _ © I \ ¦ S X K

Ðl 0 AK AFM 8 £ ¤& ñ ` ¦ z ´r % i . Fig. 1 É r a ZnO l ó ø Í_ (a) \ P % o õ (b) 950

C \

f \ P % o ô Ç Ê ê_ ³ ð © I s . Fig. 1(a) \ " f Ð1 p w s l

ó ø Í ³ ð \ H ´ ú § É r ³ ð < H © s > r F ¦ e . s ³ ð

< H © É r â \ ¦ 0 Aô Ç chemo-mechanical polishing \ _

ô Ç כ Ü ¼ Ð « Ñ÷ & 9 s Qô Ç < H © É r @ /> h ½ ¨ ¸& h < Ê

¦ 1 l x ì ø Í Ù ¼ Ð & ñ $ í © \ s 6 x l \ Â Ò& h ] X ô Ç ³ ð e

¦ · ú Ã º e . { 9 ì ø Í& h ì ø Í ¸^ l ó ø Í_ â Ä º ³ ð _ < H

© 8 £ x É r o < Æ& h d y \ _ K " f 6 x s > ] j # ' õ A& ñ

¦ ¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦ % 3 ` ¦ Ã º e Ü ¼ ZnO _ â Ä º { 9 ì ø Í

h o < Æ& h d y 6 xÓ o 5 Å q \ " f ] j# Q Ô ¦ 0 p x ½ + É & ñ ¸ Ð

É

r \ g A 5 Å q ¸\ ¦ t Ù ¼ Ð o < Æ& h d y ` ¦ s 6 x l j Ë µ[ þ t