1 Ì ¦ R x ¢ º ! a( a «ù p § T Ó Þ # b V R ËX ê s X ¢ GaN ; cY «8 ý ¤V R Ë Ä Z ØV Ä

(1)

1 Ì ¦ R x ¢ º ! a( a «ù p § T Ó Þ # b V R ËX ê s X ¢ GaN ; cY «8 ý ¤V R Ë Ä Z ØV Ä

,

>

* > + ä · - ! HA I ÷ 7 B · ' Ö < . > * å · L |* × <+ ä · ¼ ÿ 0 ï F¬ £ · T $ ß ^∗

ô

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

ò 6 BÂ 6 Ò

ô

Ç² D G ³ ðï r õ < Æ ½ ¨" é ¶ | Ä Ìl Õ ü t Â Ò ¸ è ½ ¨é ß , @ / , 305 (2009¸ 11 Z 4 4{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

Hydride vapor phase epitaxy (HVPE) ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð { 9 " é ¶ GaN ¸½ ¨ ¸\ ¦ + þ A$ í ¦, s \ ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼

Ð # s " é ¶ GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © r ( . GaN ¸m [ þ t õ ¸ Ð× ¼ ! Q( 8 £ x É r 600, 650

^◦

C \ " f 2r ç

ß m $ í © r ( Ü ¼ 9, HCl:NH

³

_ Ä »| ¾ Óq H 1:40 < Ê É r 1:50 Ü ¼ Ð ¸] X % i . GaN \ x 8 £ x ¢ ¸ô Ç HVPE

~

½ ÓZ O Ü ¼ Ð HCl:NH

3

= 1:50 _ Ä »| ¾ Óq \ " f 5ì r, 20ì r x 9 40ì r ç ß $ í © r ( . HCl:NH

3

= 1:50 _ Ä »| ¾ Ó q

\ " f $ í © ô Ç ¸m [ þ t ! Q( 8 £ x 0 A\ $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x s HCl:NH

³

= 1:50 \ " f $ í © ô Ç ¸ Ð× ¼

!

Q( 8 £ x 0 A\ $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x Ð ³ ð s 8¹ ¡ ¤ ¨ î ò ø Í % i . Å Ò & ³p â ` ¦ s 6 x # GaN \ x

8 £ x _ + þ AI \ ¦ ' a ¹ 1 Ï % i Ü ¼ 9, strain1 p x _ & ñ < Æ& h : £ ¤$ í É r X- r] X , cathodoluminescence(CL)\ ¦ s

6 x # ì r$ 3 % i .

PACS numbers: 73.61.Tm, 81.10.bk, 81.05.Ys Keywords: ¸½ ¨ ¸, GaN \ x 8 £ x, HVPE

I. " e Â ] Ø

GaN H © : r \ " f 3.39 eV_ f ] X ;s + þ A \ -t ½ × ¼ Ì

s` ¦ ° ú H o½ + ËÓ ü t ì ø Í ¸^ Ð" f, In < Ê É r Al õ _ " é ¶ ì ø Í ¸

^

o½ + ËÓ ü t` ¦ + þ A$ í ½ + É â Ä º < Ê| ¾ Ó o\ ü @ \ " f

&

h ü @ t _ \ -t ½ × ¼Ì s` ¦ t ¸2 ¤ ¸] X ½ + É Ã º e Ü

¼Ù ¼ Ð µ 1 Ï F g s ¸× ¼, Y Us $ s ¸× ¼ Õ ªo ¦ F g s ¸

×

¼ü < ° ú É r ª ô Ç F g è Ð 6 £ x6 x ½ + É Ã º e [1,2]. ¢ ¸ô Ç GaN H \ P ¸ ¸ ß ¼ ¦ Ö 6 x& h s Z } ¦ : r \ " f î ß & ñ 9, s 1 l x ¸ ¸ ß ¼Ù ¼ Ð ¦ : r x 9 ¦Ø ¦§ 4 è , hetero- junction field effect transistor, hetero-junction bipolar transistor ü < ° ú É r [ j@ / è Ð ¸ l @ / ) a [3–6].

Si É r s 1 l x ¸ ß ¼ ¦ q §& h & h É r q 6 x, @ / & h Ü ¼

Ð s 6 x 0 p x H s & h [ þ t Ð # Si l ó ø Í` ¦ s 6 x ô Ç GaN _ $ í © É r © { © ô Ç ' a d ` ¦ = å J ¦ e . Õ ª Q Siõ GaN s _ H Ô ¦{ 9 u (17 %)ü < Z } É r \ P ¨ î ½ Ó> Ã º _

s (56 %) Ð K Si l ó ø Í 0 A\ GaN\ ¦ f ] X $ í ©

H כ É r B Ä º j Ë µ[ þ t . s ¿ º Ó ü t| 9 ç ß _ ü < \ P Ø ½ Ó> Ã

º_ s [ þ t É r stress ü < ' a ) a ë H ] j\ ¦ l r v 9, s כ

É

r ¿ º î r GaN \ x 8 £ x ? /Â Ò\ " f_ strain\ _ ô Ç ì rF G

∗

E-mail: [email protected]

õ

ç H\ P ` ¦ Ô ¦ Q { 9 Ü ¼v 9 ¢ ¸ô Ç è _ : £ ¤$ í ` ¦ y èr

. s Qô Ç ë H ] j[ þ t` ¦ F G4 ¤ ¦, GaN_ ¾ ¡ §| 9 ` ¦ ¾ Ó © r v l

0 AK GaAs, AlAs, AlN, ZnO, SiC 1 p x _ ! Q( 8 £ x` ¦ s 6

x # Si l ó ø Íõ GaN \ x 8 £ x _ stress\ ¦ þ j è o l 0 A ô

Ç ª ô Ç ~ ½ ÓZ O [ þ t s > hµ 1 Ï÷ &% 3 [7–10].

: r ½ ¨\ " f H hydride vapor phase epitaxy(HVPE) © u

\ ¦ s 6 x # 1 " é ¶ GaN ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x` ¦ ë ß [ þ t ¦ Õ ª 0

A\ 2 " é ¶ GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © ½ + É â Ä º, þ j& h _ ³ ð + þ A I

\ ¦ ° ú H $ í © ¸| ` ¦ Ã ÐÒ o ¦, $ í © r ç ß \ É r GaN

\

x 8 £ x _ ¿ ºa ü < strain_ íl s ¢ - a 1 l x` ¦ · ú Ð ¤ .

II. ÷ m Ç] M ö U ê s0 n É

Ã

º¨ î + þ A HVPE\ ¦ s 6 x # GaN ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x` ¦ $ í

© r Ê ê, Õ ª 0 A\ GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © r v H í H Ü ¼ Ð r

¼

# ` ¦ ] j % i . $ buffered oxide etchant(BOE) 6 x Ó

o` ¦ s 6 x # Si(111) l ó ø Í 0 A_ í ß o} ` ¦ ] j

¦, [ j : r õ B jò ø Í` ¦ 5 Å q \ " f y y 5ì rm í6 £ § [ j' ` ¦

% i . [ j' ô Ç Si(111) l ó ø Í 0 A\ rf-Û ¼( ' a AÜ ¼ Ð AlN

\

¦ 25ì r ç ß 50 nm & ñ ¸ 7 £ x Ã Ìr ( . AlN 7 £ x Ã Ì r _ Û ¼ (

' Õ þ ! Q ? /Â Ò_ · ú § 4 É r 5 × 10

⁻³

torr, Ar Ä »| ¾ Ó É r 50

-461-

(2)

sccm, e ¦ Ý ¼ 0 > H 200 W Ð Ä »t % i . Õ ª Ê ê Ã º

¨ î

+ þ A HVPE\ ¦ s 6 x # GaN ¸½ ¨ ¸ Ð s À Ò# Q ! Q (

8 £ x` ¦ $ í © r ( . HVPE_ l Ð H èÛ ¼% ò % i (source zone), ì ø Í6 £ x% ò % i (react zone), $ í © % ò % i (growth zone)_ [

jÂ Òì r Ü ¼ Ð ¾ º# Q y y _ : r ¸\ ¦ 1 l qw n & h Ü ¼ Ð ¸] X % i

. èÛ ¼% ò % i É r 850

^◦

C, ì ø Í6 £ x% ò % i É r 1050

^◦

C Ð y y [ O & ñ

% i Ü ¼ 9, $ í © % ò % i _ : r ¸ H ì ø Í6 £ x% ò % i \ " f Y O # Q| 9 Ã º2 ¤ y

è H : r ¸ ° ú כ` ¦ thermocouple Ð 8 £ ¤& ñ ô Ç Ê ê á Ô Ð { 9

`

¦ ë ß [ þ t # Q Æ Ò& ñ % i . $ í © % ò % i _ : r ¸ 600

^◦

C x 9 650

◦

C{ 9 M : y y ¸m [ þ t õ ¸ Ð× ¼ + þ AI _ GaN ¸½ ¨

¸ ! Q( 8 £ x s $ í © ÷ &% 3 [11–13]. GaN ! Q( 8 £ x É r 2 r ç ß 1

l

x î ß $ í © r ( Ü ¼ 9, HCl:NH

³

Û ¼| ¾ Ó q Ö ¦ É r 1:40 < Ê É r 1:50 s % 3 . s M : N

²

H o # Q Û ¼_ Ä »| ¾ Ó É r 1140 sccm Ü ¼

Ð ¦& ñ % i . AlN/Si(111), GaN ! Q( 8 £ x s > r F H AlN/Si(111), x 9 Al

2

O

3

l ó ø Í 0 A\ 1 l x{ 9 ô Ç ¸| \ " f GaN

\

x 8 £ x` ¦ $ í © r v ¦ Õ ª õ \ ¦ q § % i . 1050

^◦

C _

$ í

© % ò % i : r ¸\ " f GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © r ( Ü ¼ 9, s M : HCl õ NH

³

Û ¼| ¾ Ó_ q Ö ¦ É r 1:50, H o # Q Û ¼_ Ä »| ¾ Ó É r 500 sccm s % 3 . Ä º GaN \ x 8 £ x` ¦ 5ì r ç ß $ í © r v ¦

³

ð ` ¦ ' a ¹ 1 Ïô Ç Ê ê, Õ ª õ \ ¦ Ð@ / Ð r GaN ¸m [ þ t x 9

¸ Ð× ¼ 0 A\ GaN \ x 8 £ x` ¦ y y 20ì r, 40ì rm $ í © r

\ x 8 £ x _ ³ ð ` ¦ q § % i . $ í © ) a GaN \ x 8 £ x

É

r Å Ò & ³p â (scanning electron microscopy)` ¦ s 6

x # ³ ð õ é ß ` ¦ ' a ¹ 1 Ï % i Ü ¼ 9, X- r] X (X-ray diffraction) õ cathodoluminescence(CL)\ ¦ s 6 x # ½ ¨

¸& h : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 % i .

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

Figure 1 É r íl $ í © ¸_ þ v` ¦ ' a ¹ 1 Ï l 0 A # ¸

½

¨ ¸ ! Q( 8 £ x 0 A\ 5ì r ç ß $ í © r GaN \ x 8 £ x ³ ð _ Å

Ò & ³p â s . Fig. 1_ (a) H HCl:NH

3

= 1:50 _ Ä »| ¾ Óq \ " f $ í © r ¸m [ þ t(inset Õ ªa Ë >) 0 A\

$ í

© ) a \ x 8 £ x, (b) H HCl:NH

3

= 1:40 \ " f $ í © r

¸m [ þ t(inset Õ ªa Ë >) 0 A\ $ í © ) a \ x 8 £ x, (c) H HCl:NH

3

= 1:50 \ " f $ í © r ¸ Ð× ¼(inset Õ ªa Ë >) 0 A\ $ í © ) a

\

x 8 £ x, Õ ªo ¦ (d) H HCl:NH

3

= 1:40 \ " fÜ ¼ Ð $ í © r

¸ Ð× ¼(inset Õ ªa Ë >) 0 A\ $ í © ) a GaN \ x 8 £ x` ¦

· p . Fig. 1(a)_ ³ ð s 1(b)_ ³ ð Ð 8¹ ¡ ¤ ¨ î ò ø Í

> $ í © ) a כ ` ¦ ^ ¦ Ã º e . s H ¸m [ þ t` ¦ ! Q( 8 £ x Ü

¼ Ð 6 x ½ + É â Ä º\ H U ´s Â ú ª ¦ x 9 ¸ Z } > $ í © ô Ç

½

¨ ¸(Fig. 1(b) inset) Ð U ´s U ´ ¦ x 9 ¸ ± ú É r ½ ¨

¸(Fig. 1(a) inset)\ ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð 6 x H כ s 2 " é ¶

\

x 8 £ x _ $ í © \ 8¹ ¡ ¤ ´ òõ & h e ` ¦ Ð# ï r . s H GaN

Fig. 1. Plane-view SEM images of GaN epi-layers grown for 5 min with nanoneedle buffer ((a) and (b)), nanorod buffer ((c) and (d)), and AlN buffer (e) on Si(111) sub- strates and an Al

₂

O

₃

substrate without buffer layer (f).

\

x 8 £ x s $ í © ½ + É M : íl \ H GaN ¸m [ þ t s _ /

B

NF G` ¦ G Ä º " f $ í © H X <, U ´s U ´ ¦ x 9 ¸ ± ú É r

¸m [ þ t + þ AI _ ! Q( 8 £ x s GaN \ x 8 £ x \ " f ç H\ P s µ 1 Ï Ò q

t H כ ` ¦ ´ òõ & h Ü ¼ Ð % 3 ] j 9 s H / B I Ã º¨ î ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼

Ð_ $ í © ` ¦ Ö ¸ µ 1 Ï > l M :ë H Ü ¼ Ð Ò q ty ) a . " f Ã

ºf ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð $ í © < Ê\ y GaN Õ ªA [ þ t _ & h s

/ å L5 Å q y & 4 R " f Ð ½ + Ë > ÷ &Ù ¼ Ð ^ & h Ü ¼ Ð 8 ¨ î ò ø

Íô Ç ³ ð ` ¦ s À Ò> ) a . ô Ç¼ # , ¸m [ þ t ! Q( 8 £ x _ â Ä

ºü < H Ø Ô> , ¸ Ð× ¼ 0 A\ $ í © ) a GaN \ x 8 £ x É r Ð

×

¼_ f â s H ! Q( 8 £ x 0 A\ $ í © ) a כ (Fig. 1(c))s Ð

×

¼_ f â s É r ! Q( 8 £ x 0 A\ $ í © ) a כ (Fig. 1(d)) Ð

threading dislocation(TD)_ x 9 ¸ © @ /& h Ü ¼ Ð

"

f ¸F K 8 ¨ î ò ø Í > $ í © ) a כ ` ¦ ^ ¦ Ã º e . ì ø Í ,

¸m [ þ t s ¸ Ð× ¼ü < ° ú É r ! Q( 8 £ x s \ O H AlN/Si < Ê

É r Al

2

O

3

l ó ø Í 0 A\ " f H GaN \ x 8 £ x s ¸ ú $ í © t · ú §

¤ H X <, s כ É r AlN/Si s Al

²

O

3

l ó ø Í ³ ð \ " f H $ í

© íl \ GaN_ Ù þ o ç H{ 9 > ¸ ú s À Ò# Q t t · ú §

¤6 £ §` ¦ _ p ô Ç . " f, ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x` ¦ 6 x ½ + É M : GaN \ x 8 £ x _ $ í © s 8¹ ¡ ¤ ¸ ú { 9 # Q z ` ¦ · ú Ã º e . ¢ ¸ ô

Ç, HClõ NH

3

_ Ä »| ¾ Óq 1:40{ 9 M : Ð 1:50{ 9 M : $ í

(3)

Fig. 2. Plane-view SEM images of GaN layers grown for 20 min (left-hand column) and 40 min (right-hand column) on ((a) and (b)) nanoneedles, and ((c) and (d)) nanorods.

© ô Ç ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x 0 A\ " f 8¹ ¡ ¤ ¨ î ò ø Íô Ç ³ ð _ GaN

\

x 8 £ x s $ í © H d` ¦ · ú Ã º e .

" f HClõ NH

3

_ Ä »| ¾ Óq 1:50\ " f $ í © ) a ¸ m

[ þ t x 9 ¸ Ð× ¼ 0 A\ GaN \ x 8 £ x` ¦ y y 20ì r, 40ì r

$ í

© r Ê ê ³ ð + þ A © ` ¦ ' a ¹ 1 Ï % i . Fig. 2 H ¸m [

þ t((a), (b)) õ ¸ Ð× ¼((c), (d)) 0 A\ y y 20ì r((a), (c)) x 9

40ì rm ((b), (d)) $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x ³ ð _ Å Ò

& ³p â s . ¸m [ þ t 0 A\ $ í © ) a GaN \ x 8 £ x

É

r Ã º¨ î ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_ $ í © s Ö ¸ µ 1 Ï l M :ë H \ r ç ß s 7 £ x

< Ê\ ¹ ¢ ¤ y + þ AI _ Õ ªA [ þ t s ' ½ + Ë5 g4 R" f ¨ î ò ø Í ô

Ç ³ ð ` ¦ s À Ò H כ ` ¦ S X ½ + É Ã º e . ì ø Í , ¸ Ð× ¼ 0

A\ $ í © ) a GaN \ x 8 £ x É r TD\ ¦ t ¦ $ í © l M : ë

H \ r ç ß s 7 £ x 8 ¸ ¹ ¢ ¤ y + þ AI _ Õ ªA [ þ t s ¢ - a y

½ + Ë5 gt t · ú § ¦, y y _ + þ AI \ ¦ Ä »t 9 $ í © H כ

`

¦ · ú Ã º e . 7 £ ¤, $ í © r ç ß s t ± ú Ã º2 ¤ ¸ Ð× ¼ ! Q( 8

£

x \ " f Ð ¸m [ þ t ! Q( 8 £ x \ " f_ GaN \ x 8 £ x s 8

¹

¡

¤ ¨ î ò ø Íô Ç ` ¦ ë ß [ þ t # Q ¦ e 6 £ §` ¦ · ú Ã º e .

Figure 3 É r ¸m [ þ t 0 A\ y y 5ì r, 20ì r, 40ì r $ í © r

GaN \ x 8 £ x é ß _ Å Ò & ³p â s .

¸m [ þ t 0 A\ 5ì r, 20ì r, Õ ªo ¦ 40ì r $ í © ô Ç \ x 8 £ x _ ¿ º a

H y y 0.544 µm, 2.471 µm, 3.353 µm Ð $ í © r ç ß s 7

£

x < Ê\ \ x 8 £ x _ ¿ ºa ¢ ¸ô Ç + þ A& h Ü ¼ Ð 7 £ x

H Æ Ò[ j\ ¦ Ð (Fig. 5 Ã Ð ¦).

¸m [ þ t 0 A\ $ í © ô Ç GaN_ & ñ $ í ` ¦ · ú Ðl 0 A K

X- r] X Á º] (\ ¦ 8 £ ¤& ñ % i . Fig. 4\ " fü < ° ú s ¸

H \ x 8 £ x \ " f ¹ ¢ ¤ ~ ½ Ó GaN_ (0002) x ß ¼ 9, GaN \ x 8 £ x _ ¿ ºa 7 £ x ½ + ÉÃ º2 ¤ (0002) x ß ¼_ 0 A

Fig. 3. Cross-sectional SEM images of GaN layers grown for (a) 5 min, (b) 20 min, and (c) 40 min on nanoneedles.

Table 1. Analysis results of (0002) calculated by mea- surement program.

Growth time 2θ FWHM d-spacing c-axis lattice (min) (degree) (degree) (˚ A) constant(˚ A)

5 34.6387 0.2040 2.58752 5.17504 20 34.6030 0.3000 2.59011 5.18022 40 34.5786 0.3600 2.59188 5.18376

u

H & h & h É r y A á ¤ Ü ¼ Ð s 1 l x H כ ` ¦ · ú Ã º e . 8 £ ¤

&

ñ ) a GaN (0002) x ß ¼_ 2θ_ ° ú כõ ì ø Íu ; ¤ (full width at half maximum: FWHM)` ¦ Table 1 \ ? /% 3 .

Figure 5 H $ í © r ç ß \ É r GaN \ x 8 £ x _ ¿ ºa ü <

c-» ¡ ¤ © Ã ºü <_ ' a > \ ¦ Ð# Å Ò ¦ e Ü ¼ 9, ¸m [ þ t

(4)

Fig. 4. XRD spectra of GaN layers grown for 5, 20, and 40 min on nanoneedles.

Fig. 5. Relationship between c-axis lattice constant and layer thickness according to the growth time.

0 A\ $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x \ " f_ ï ß # strain_ oü <

q

§ l 0 AK wurzite GaN\ @ /K { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð · ú 9 c=5.1853˚ A ° ú כ` ¦ < Êa ³ ðr % i . Õ ªa Ë >\ " f Ð H ü < ° ú s

¸m [ þ t 0 A\ $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x É r ¿ ºa 7 £ x < Ê

\

compressive strains & h ¢ - a o÷ & H כ ` ¦ S X ½ + É Ã

º e . Hiramatsu 1 p x \ _ Al

2

O

3

0 A\ GaN \ x 8 £ x

`

t ë ß Kusakabe 1 p x É r radio-frequency plasma-assisted molecular beam epitaxyZ O Ü ¼ Ð s # Q l ó ø Í 0 A_

Fig. 6. CL spectra of GaN layers grown for 40 min on nanoneedles.

+

Ð Si l ó ø Í 0 A\ + þ A$ í ) a ¸m [ þ t` ¦ s 6 x # GaN \ x 8

£

\

%

3 . ¸m [ þ t _ + þ AI ü < ß ¼l \ ¦ & h ] X y ¸] X 8 · û ª

Ü ¼ 9 & ³F ' aº z ´+ « > É r ' × æ \ e .

£

x _ CL 8 £ ¤& ñ õ s . 362 nm (∼3.425 eV)\ " f band edge emission õ ' aº ) a Å Ò ) a x ß ¼, 670-800 nm s

\

" f H Ô ¦í HÓ ü t < Ê É r < Ê 1 p x \ l ô Ç x ß ¼ y y ' a8 £ ¤

÷

&% 3 [16]. { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð GaN H compressive strain` ¦ ~ Ã Î

`

¦ M : \ -t ½ × ¼Ì ss V , # Qt ¦, tensile strain` ¦ ~ Ã Î` ¦ M

: ½ × ¼Ì ss ¦ Ð ¦ ÷ &% 3 [17–19]. : r z ´+ « >\

"

f 8 £ ¤& ñ ) a GaN \ x 8 £ x É r { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð · ú 9 GaN bulk _

\ -t ½ × ¼Ì s(∼3.39eV) Ð H ° ú כ` ¦ t H X <, s כ

É

s ¢ - a ÷ &t 3 l w ¦ compressive strain \ e l M :ë H s

¦ Ò q ty ô Ç .

IV. + s Ç Â ] Ø

¸½ ¨ ¸\ ¦ + þ A$ í ¦ s \ ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼ Ð # 2 " é ¶ GaN \ x

º U ´s U ´ ¦ x 9 ¸ ± ú É r ½ ¨ ¸ 2 " é ¶ \ x 8 £ x _ $ í

(5)

`

¦ s 6 x ½ + É â Ä º\ H f â s H ¸ Ð× ¼ 0 A\ " f ³ ð s

£

ç ß s 7 £ x H d \ ¹ ¢ ¤ y + þ AI _ GaN Õ ªA [ þ t s " f

Ð ½ + Ë5 g4 R" f & h ¨ î ò ø Íô Ç ³ ð ` ¦ + þ A$ í > ÷ &t ë ß , ¸

% 3 . 7 £ ¤ ¸ Ð× ¼ 0 A\ " f Ð ¸m [ þ t 0 A\ " f GaN

\

ê\ \ x 8 £ x _ ¿ ºa H 3.353 µm Ð c-» ¡ ¤ © Ã º free- standing © I \ H] X H 5.1838˚ A Ü ¼ Ð z ¤ . ¢ ¸ô Ç CL X <s ' \ " f ü @ © _ Å Ò ) a x ß ¼ { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð

· ú

9 GaN bulk_ \ -t ½ × ¼Ì s Ð H ° ú כ 3.425eV

\

" f Ù ¼ Ð GaN \ x 8 £ x s ¢ - a y s ¢ - a ÷ &t 3 l w

¦ compressive strain \ e ¦ Ò q ty ) a .

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] P. A. Donce and D. P. Bour, Nature 386, 27 (1997).

[2] S. Yamazaki, T. Yatsui, M. Ohtsu, T. W. Kim and H. Fujioka, Appl. Phys. Lett. 85, 3059 (2004).

[3] S. P. McAlister, Solid-State Electronics 51, 142 (2007).

[4] H. Tang, J. A. Bardwell, J. Lapointe, S. Raymond, J. Fraser, S. Haffouz and S. Rolfe, J. Cryst. Growth 301, 442 (2007).

[5] K. P. Lee, A. M. Dabiran, P. P. Chow, A. Osinsky, S. J. Pearton and F. Ren, Solid-State Electronics 48, 37 (2004).

[6] H. Morkoc, S. Strite, G. B. Gao, M. E. Lin, B.

Sverdlov and M. S. Burns, J. Appl. Phys. 76, 1363 (1994).

[7] L. Liu and J. H. Edgar, Mater. Sci. Eng. R 37, 61 (2002).

[8] M. K. Bae, D. H. Shin, S. N. Yi, J. H. Na, A. M.

Green, R. A. Taylor, S. H. Park and N. L. Kang, J.

Korean Phys. Soc. 49, 1092 (2006).

[9] W. Ju, D. A. Gulino and R. Higgins, J. Cryst.

Growth 263, 30 (2004).

[10] H. J. Choi, D. H. Kim, T. G. Kim and Y. M. Sung, Chem. Phys. Lett. 413, 479 (2005).

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

S. Ahn, J. H. Chang, S. N. Yi, Y. J. Yun, D. H. Ha and S. H. Park, Mater. Lett. 63, 2695 (2009).

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

S. Ahn, S. N. Yi, S. Kim, D. H. Ha and S. H. Park, J. Cryst. Growth, 311, 4146 (2009).

[13] 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).

[14] K. Hiramatsu, T. Detchprohm and I. Akasaki, Jpn.

J. Appl. Phys. 32, 1528 (1993).

[15] K. Kusakabe, A. Kikuchi and K. Kishino, Jpn. J.

Appl. Phys. 40, L192 (2001).

[16] S. M. Kang, T. I. Shin, Duc V. Dinh, J. H. Yang, S.-W. Kim and D.H. Yoon, Microelectronics Journal 40, 373 (2009).

[17] H. W. Seo, S. Y. Bae, J. Park, H. Yang, K. S. Park and S. Kim, J. Chem. Phys. 116, 9492 (2002).

[18] F. Ben Nasr, A. Matoussi, R. Salh, S. Guermazi, H.-J. Fitting and Z. Fakhfakh, Physica E 41, 454 (2009).

[19] S. Kamiyama, K. Ohnaka, M. Suzuki and T.

Uenoyama, Jpn. J. Appl. Phys. 34, L821 (1995).

(6)

Characteristic Analysis of a GaN Epilayer Grown on a GaN Buffer with One-dimensional Nanostructures

M. J. Shin, H. Y. Kwon, J. Y. Moon, Y. J. Choi, H. S. Ahn and S. N. Yi

^∗

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

D. H. Ha

Division of Advanced Technology, Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon 305 (Received 4 November 2009)

We studied a GaN epilayer grown on a GaN buffer with one-dimensional nanostructures by using a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) facility. The nanoneedle- and nanorod-buffer layers were grown for 2 hours at growth temperatures of 600 and 650

^◦

C and under HCl:NH

3

gas flow rates of 1:40 and 1:50, respectively. GaN epilayers were grown for 5, 20, and 40 minutes under a HCl:NH

3

gas flow rate of 1:50. The GaN epilayer grown on a nanoneedle buffer was found to have better properties than that grown on a nanorod buffer. The morphologies of the GaN epilayers were analyzed by using scanning electron microscopy, and the crystal structures were examined by using X-ray diffraction and cathodoluminescence.

PACS numbers: 73.61.Tm, 81.10.bk, 81.05.Ys Keywords: Nanostructure, GaN epilayer, HVPE

∗

E-mail: [email protected]

1 Ì ¦ R x ¢  º ! a( a «ù p § T  Ó Þ # b V R ËX ê s X ¢ GaN ; cY  «8 ý  ¤V R Ë Ä Z ØV Ä

1 Ì ¦ R x ¢  º ! a( a «ù p § T  Ó Þ # b V R ËX ê s X ¢ GaN ; cY  «8 ý  ¤V R Ë Ä Z ØV Ä

,

>

* > + ä  · - ! HA I ÷ 7 B · ' Ö < . > * å  · L |* × <+ ä  · ¼ ÿ 0 ï F¬ £ · T   $ ß  ∗

ô

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

 ò 6 BÂ 6 Ò

ô

 Ç² D G ³ ðï  r õ  < Æ  ½ ¨" é ¶   | Ä Ìl Õ ü t Â Ò  ¸ è   ½ ¨é ß , @ /  , 305 (2009¸  11 Z 4 4{ 9  ~ Ã Î6 £ §)

Hydride vapor phase epitaxy (HVPE) ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð { 9  " é ¶ GaN  ¸½ ¨ ¸\  ¦ + þ A$ í  ¦, s \  ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼



Ð #  s  " é ¶ GaN \ x 8 £ x`  ¦ $ í  © r (   . GaN  ¸m [ þ t õ   ¸ Ð× ¼ ! Q( 8 £ x É r 600, 650

C \ " f 2r  ç

ß m  $ í  © r (  Ü ¼ 9, HCl:NH

_  Ä »| ¾ Óq   H 1:40 < Ê É r 1:50 Ü ¼ Ð  ¸] X  % i  . GaN \ x 8 £ x ¢ ¸ô  Ç HVPE

~

½ ÓZ O Ü ¼ Ð HCl:NH

= 1:50 _  Ä »| ¾ Óq \ " f 5ì  r, 20ì  r x 9 40ì  r ç ß  $ í  © r (   . HCl:NH

= 1:50 _  Ä »| ¾ Ó q

\ " f $ í  © ô  Ç  ¸m [ þ t ! Q( 8 £ x 0 A\  $ í  © ô  Ç GaN \ x 8 £ x s  HCl:NH

= 1:50 \ " f $ í  © ô  Ç  ¸ Ð× ¼

!

Q( 8 £ x 0 A\  $ í  © ô  Ç GaN \ x 8 £ x  Ð  ³ ð  s   8¹ ¡ ¤ ¨ î ò ø Í % i  . Å Ò     & ³p  â `  ¦ s 6 x #  GaN \  x

8 £ x _  + þ AI \  ¦  ' a ¹ 1 Ï % i Ü ¼ 9, strain1 p x _    & ñ  < Æ& h : £ ¤$ í  É r X-  r] X , cathodoluminescence(CL)\  ¦ s

6 x #  ì  r$ 3 % i  .

PACS numbers: 73.61.Tm, 81.10.bk, 81.05.Ys Keywords:  ¸½ ¨ ¸, GaN \ x 8 £ x, HVPE

I. " e Â ] Ø

GaN  H  ©  : r \ " f 3.39 eV_  f  ] X   ;s + þ A \  -t   ½ × ¼ Ì



s`  ¦ ° ú   H o½ + ËÓ ü t ì ø Í ¸^  Ð" f, In < Ê É r Al õ _    " é ¶ ì ø Í ¸

^

 o½ + ËÓ ü t`  ¦ + þ A$ í ½ + É  â Ä º  < Ê| ¾ Ó   o\      ü @  \ " f

&

h ü @   t _  \  -t   ½ × ¼Ì  s`  ¦ t  ¸2  ¤  ¸] X ½ + É Ã º e   Ü

¼Ù ¼ Ð µ 1 Ï F g s  ¸× ¼, Y Us $  s  ¸× ¼ Õ ªo  ¦ F g s  ¸

×

Si É r    s 1 l x  ¸ ß ¼ ¦ q  §& h & h  É r q 6 x, @ /  & h Ü ¼



 s (56 %) Ð   K  Si l ó ø Í 0 A\  GaN\  ¦ f  ] X  $ í  ©  



 H  כ  É r B Ä º j Ë µ[ þ t . s  ¿ º Ó ü t| 9  ç ß _     ü < \ P Ø   ½ Ó>  Ã

º_  s [ þ t É r stress ü <    ' a ) a ë  H ] j\  ¦  l r v  9, s  כ

 É

r ¿ º î  r GaN \ x 8 £ x ? /Â Ò\ " f_  strain\  _ ô  Ç ì  rF G

E-mail: [email protected]

õ

 ç  H\ P `  ¦ Ô  ¦  Q { 9 Ü ¼v  9 ¢ ¸ô  Ç  è _  : £ ¤$ í `  ¦ y   èr  

. s  Qô  Ç ë  H ] j[ þ t`  ¦ F G4  ¤  ¦, GaN_  ¾ ¡ §| 9 `  ¦  ¾ Ó © r v  l

 0 AK  GaAs, AlAs, AlN, ZnO, SiC 1 p x _  ! Q( 8 £ x`  ¦ s  6

x #  Si l ó ø Íõ  GaN \ x 8 £ x _  stress\  ¦ þ j è o l  0 A ô

 Ç  ª ô  Ç ~ ½ ÓZ O [ þ t s  > hµ 1 Ï÷ &% 3   [7–10].



: r   ½ ¨\ " f  H hydride vapor phase epitaxy(HVPE)  ©  u

\  ¦ s 6 x #  1 " é ¶ GaN  ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x`  ¦ ë ß [ þ t  ¦ Õ ª 0

A\  2 " é ¶ GaN \ x 8 £ x`  ¦ $ í  © ½ + É  â Ä º, þ j& h _  ³ ð  + þ A I

\  ¦ ° ú   H $ í  ©  ¸| `  ¦  Ã ÐÒ  o  ¦, $ í  © r ç ß \    É r GaN

\

x 8 £ x _  ¿ ºa ü < strain_   íl  s  ¢ - a  1 l x`  ¦ · ú   Ð  ¤ .

II. ÷ m Ç] M ö U ê s0 n É

Ã

º¨ î + þ A HVPE\  ¦ s 6 x #  GaN  ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x`  ¦ $ í



© r   Ê ê, Õ ª 0 A\  GaN \ x 8 £ x`  ¦ $ í  © r v   H í  H Ü ¼ Ð r 

¼

# `  ¦ ] j   % i  .   $  buffered oxide etchant(BOE) 6 x Ó 

o`  ¦ s 6 x #  Si(111) l ó ø Í 0 A_     í ß  o}  `  ¦ ] j  



¦,  [ j : r õ  B jò ø Í`  ¦ 5 Å q \ " f y  y   5ì  rm   í6 £ § [ j'  `  ¦

% i  . [ j'  ô  Ç Si(111) l ó ø Í 0 A\  rf-Û ¼( ' a AÜ ¼ Ð AlN

\

 ¦ 25ì  r ç ß     50 nm & ñ  ¸ 7 £ x  Ã Ìr (   . AlN 7 £ x  Ã Ì r _  Û ¼ (

'  Õ þ ! Q ? /Â Ò_  · ú § 4  É r 5 × 10

torr, Ar Ä »| ¾ Ó É r 50

-461-

sccm, e  ¦ Ý ¼  0 >  H 200 W  Ð Ä »t  % i  . Õ ª Ê ê Ã º

¨ î

+ þ A HVPE\  ¦ s 6 x #  GaN  ¸½ ¨ ¸ Ð s À Ò# Q  ! Q (

8 £ x`  ¦ $ í  © r (   . HVPE_    l  Ð  H  èÛ ¼% ò % i (source zone), ì ø Í6 £ x% ò % i (react zone), $ í  © % ò % i (growth zone)_  [

jÂ Òì  r Ü ¼ Ð ¾ º# Q y  y  _   : r  ¸\  ¦ 1 l qw n & h Ü ¼ Ð  ¸] X  % i 

1 Ì ¦ R x ¢ º ! a( a «ù p § T Ó Þ # b V R ËX ê s X ¢ GaN ; cY «8 ý ¤V R Ë Ä Z ØV Ä

1 Ì ¦ R x ¢ º ! a( a «ù p § T Ó Þ # b V R ËX ê s X ¢ GaN ; cY «8 ý ¤V R Ë Ä Z ØV Ä

* > + ä · - ! HA I ÷ 7 B · ' Ö < . > * å · L |* × <+ ä · ¼ ÿ 0 ï F¬ £ · T $ ß ^∗

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

ò 6 BÂ 6 Ò

Ç² D G ³ ðï r õ < Æ ½ ¨" é ¶ | Ä Ìl Õ ü t Â Ò ¸ è ½ ¨é ß , @ / , 305 (2009¸ 11 Z 4 4{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

Hydride vapor phase epitaxy (HVPE) ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð { 9 " é ¶ GaN ¸½ ¨ ¸\ ¦ + þ A$ í ¦, s \ ¦ ! Q( 8 £ x Ü ¼

Ð # s " é ¶ GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © r ( . GaN ¸m [ þ t õ ¸ Ð× ¼ ! Q( 8 £ x É r 600, 650

C \ " f 2r ç

ß m $ í © r ( Ü ¼ 9, HCl:NH

_ Ä »| ¾ Óq H 1:40 < Ê É r 1:50 Ü ¼ Ð ¸] X % i . GaN \ x 8 £ x ¢ ¸ô Ç HVPE

½ ÓZ O Ü ¼ Ð HCl:NH

= 1:50 _ Ä »| ¾ Óq \ " f 5ì r, 20ì r x 9 40ì r ç ß $ í © r ( . HCl:NH

= 1:50 _ Ä »| ¾ Ó q

\ " f $ í © ô Ç ¸m [ þ t ! Q( 8 £ x 0 A\ $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x s HCl:NH

= 1:50 \ " f $ í © ô Ç ¸ Ð× ¼

Q( 8 £ x 0 A\ $ í © ô Ç GaN \ x 8 £ x Ð ³ ð s 8¹ ¡ ¤ ¨ î ò ø Í % i . Å Ò & ³p â ` ¦ s 6 x # GaN \ x

8 £ x _ + þ AI \ ¦ ' a ¹ 1 Ï % i Ü ¼ 9, strain1 p x _ & ñ < Æ& h : £ ¤$ í É r X- r] X , cathodoluminescence(CL)\ ¦ s

6 x # ì r$ 3 % i .

PACS numbers: 73.61.Tm, 81.10.bk, 81.05.Ys Keywords: ¸½ ¨ ¸, GaN \ x 8 £ x, HVPE

GaN H © : r \ " f 3.39 eV_ f ] X ;s + þ A \ -t ½ × ¼ Ì

s` ¦ ° ú H o½ + ËÓ ü t ì ø Í ¸^ Ð" f, In < Ê É r Al õ _ " é ¶ ì ø Í ¸

o½ + ËÓ ü t` ¦ + þ A$ í ½ + É â Ä º < Ê| ¾ Ó o\ ü @ \ " f

h ü @ t _ \ -t ½ × ¼Ì s` ¦ t ¸2 ¤ ¸] X ½ + É Ã º e Ü

¼Ù ¼ Ð µ 1 Ï F g s ¸× ¼, Y Us $ s ¸× ¼ Õ ªo ¦ F g s ¸

Si É r s 1 l x ¸ ß ¼ ¦ q §& h & h É r q 6 x, @ / & h Ü ¼

s (56 %) Ð K Si l ó ø Í 0 A\ GaN\ ¦ f ] X $ í ©

H כ É r B Ä º j Ë µ[ þ t . s ¿ º Ó ü t| 9 ç ß _ ü < \ P Ø ½ Ó> Ã

º_ s [ þ t É r stress ü < ' a ) a ë H ] j\ ¦ l r v 9, s כ

É

r ¿ º î r GaN \ x 8 £ x ? /Â Ò\ " f_ strain\ _ ô Ç ì rF G

ç H\ P ` ¦ Ô ¦ Q { 9 Ü ¼v 9 ¢ ¸ô Ç è _ : £ ¤$ í ` ¦ y èr

. s Qô Ç ë H ] j[ þ t` ¦ F G4 ¤ ¦, GaN_ ¾ ¡ §| 9 ` ¦ ¾ Ó © r v l

0 AK GaAs, AlAs, AlN, ZnO, SiC 1 p x _ ! Q( 8 £ x` ¦ s 6

x # Si l ó ø Íõ GaN \ x 8 £ x _ stress\ ¦ þ j è o l 0 A ô

Ç ª ô Ç ~ ½ ÓZ O [ þ t s > hµ 1 Ï÷ &% 3 [7–10].

: r ½ ¨\ " f H hydride vapor phase epitaxy(HVPE) © u

\ ¦ s 6 x # 1 " é ¶ GaN ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x` ¦ ë ß [ þ t ¦ Õ ª 0

A\ 2 " é ¶ GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © ½ + É â Ä º, þ j& h _ ³ ð + þ A I

\ ¦ ° ú H $ í © ¸| ` ¦ Ã ÐÒ o ¦, $ í © r ç ß \ É r GaN

x 8 £ x _ ¿ ºa ü < strain_ íl s ¢ - a 1 l x` ¦ · ú Ð ¤ .

º¨ î + þ A HVPE\ ¦ s 6 x # GaN ¸½ ¨ ¸ ! Q( 8 £ x` ¦ $ í

© r Ê ê, Õ ª 0 A\ GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © r v H í H Ü ¼ Ð r

# ` ¦ ] j % i . $ buffered oxide etchant(BOE) 6 x Ó

o` ¦ s 6 x # Si(111) l ó ø Í 0 A_ í ß o} ` ¦ ] j

¦, [ j : r õ B jò ø Í` ¦ 5 Å q \ " f y y 5ì rm í6 £ § [ j' ` ¦

% i . [ j' ô Ç Si(111) l ó ø Í 0 A\ rf-Û ¼( ' a AÜ ¼ Ð AlN

¦ 25ì r ç ß 50 nm & ñ ¸ 7 £ x Ã Ìr ( . AlN 7 £ x Ã Ì r _ Û ¼ (

' Õ þ ! Q ? /Â Ò_ · ú § 4 É r 5 × 10

torr, Ar Ä »| ¾ Ó É r 50

sccm, e ¦ Ý ¼ 0 > H 200 W Ð Ä »t % i . Õ ª Ê ê Ã º

+ þ A HVPE\ ¦ s 6 x # GaN ¸½ ¨ ¸ Ð s À Ò# Q ! Q (

8 £ x` ¦ $ í © r ( . HVPE_ l Ð H èÛ ¼% ò % i (source zone), ì ø Í6 £ x% ò % i (react zone), $ í © % ò % i (growth zone)_ [

jÂ Òì r Ü ¼ Ð ¾ º# Q y y _ : r ¸\ ¦ 1 l qw n & h Ü ¼ Ð ¸] X % i

. èÛ ¼% ò % i É r 850

C, ì ø Í6 £ x% ò % i É r 1050

C Ð y y [ O & ñ

% i Ü ¼ 9, $ í © % ò % i _ : r ¸ H ì ø Í6 £ x% ò % i \ " f Y O # Q| 9 Ã º2 ¤ y

è H : r ¸ ° ú כ` ¦ thermocouple Ð 8 £ ¤& ñ ô Ç Ê ê á Ô Ð { 9

¦ ë ß [ þ t # Q Æ Ò& ñ % i . $ í © % ò % i _ : r ¸ 600

C{ 9 M : y y ¸m [ þ t õ ¸ Ð× ¼ + þ AI _ GaN ¸½ ¨

¸ ! Q( 8 £ x s $ í © ÷ &% 3 [11–13]. GaN ! Q( 8 £ x É r 2 r ç ß 1

x î ß $ í © r ( Ü ¼ 9, HCl:NH

Û ¼| ¾ Ó q Ö ¦ É r 1:40 < Ê É r 1:50 s % 3 . s M : N

H o # Q Û ¼_ Ä »| ¾ Ó É r 1140 sccm Ü ¼

Ð ¦& ñ % i . AlN/Si(111), GaN ! Q( 8 £ x s > r F H AlN/Si(111), x 9 Al

l ó ø Í 0 A\ 1 l x{ 9 ô Ç ¸| \ " f GaN

x 8 £ x` ¦ $ í © r v ¦ Õ ª õ \ ¦ q § % i . 1050

C _

© % ò % i : r ¸\ " f GaN \ x 8 £ x` ¦ $ í © r ( Ü ¼ 9, s M : HCl õ NH

Û ¼| ¾ Ó_ q Ö ¦ É r 1:50, H o # Q Û ¼_ Ä »| ¾ Ó É r 500 sccm s % 3 . Ä º GaN \ x 8 £ x` ¦ 5ì r ç ß $ í © r v ¦

ð ` ¦ ' a ¹ 1 Ïô Ç Ê ê, Õ ª õ \ ¦ Ð@ / Ð r GaN ¸m [ þ t x 9

¸ Ð× ¼ 0 A\ GaN \ x 8 £ x` ¦ y y 20ì r, 40ì rm $ í © r

\ x 8 £ x _ ³ ð ` ¦ q § % i . $ í © ) a GaN \ x 8 £ x

É

r Å Ò & ³p â (scanning electron microscopy)` ¦ s 6

x # ³ ð õ é ß ` ¦ ' a ¹ 1 Ï % i Ü ¼ 9, X- r] X (X-ray diffraction) õ cathodoluminescence(CL)\ ¦ s 6 x # ½ ¨

¸& h : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 % i .

Figure 1 É r íl $ í © ¸_ þ v` ¦ ' a ¹ 1 Ï l 0 A # ¸

¨ ¸ ! Q( 8 £ x 0 A\ 5ì r ç ß $ í © r GaN \ x 8 £ x ³ ð _ Å