Nanoscale surface finishing studies and characterizations of cadmium zinc telluride crystals

Abstract

Kadmiyum Çinko Tellür (Cd1-xZnxTe, CdZnTe) kristalleri çinko dağılımına bağlı olarak farklı alanlarda kullanılır. Yüksek atom nmarası ve yüksek direnç gibi özdün özelliklere sahip olmasından dolay CdZnTe kristalleri X-ray ve gama-ray algılayıcıları uygulamalarında en çok umut vaat eden malzemelerden biridir. CdZnTe kristallerinin geniş bant aralığı ve yüksek durdurma potansiyeli, oda sıcaklığında yüksek performanslı algılayılar için tıbbi görüntüleme, astronomi ve ulusal güvenlik gibi bir çok alanda kullanımına izin vermektedir. CdZnTe kristalleri aynı zamanda moleküler ışın epitaksisi (MBE) yöntemi ile yüksek performanslı kızılötesi algılayıcı olan Cıva Kadmiyum Tellür'ün (HgCdTe, MCT) epitaksiyel katman büyütmesi için alt taş malzeme olarak kullanılmaktadır. HgCdTe ve CdZnTe kristallerinin örgü uyumu mükemmel olarak eşleşmektedir. Yüksek kalite epi-hazır alt taşlarda geniş yüzey alanında (2 cm x 2 cm) düşük kusur yoğunluğuna sayıp olması MCT kızılötesi algılayıcılar için oldukça kritiktir. Bu tezde yüksek kaliteli Cd1-xZnxTe tek kristal yüzey hazırlama ve bunların karakterizasyonuna özellikle yüzey kalitesini etkileyen faktörlerden yüzey pürüzlülüğü ve {111} ile {211} yönelimlerindeki yönelim hassiyeti üzerine yoğunlaşılmıştır. Yüksek kaliteli MBE'de üniform çinko dağılımı ve düşük kusur yoğunluğu oldukça önemlidir. İstenilen kalınlıkta oldukça düz örnekler iki uygulama alanı içinde istenmektedir. Geniş yüzey alanında nanometer altı yüzey pürüzlülüğünün hazırlanması amaçlanmıştır. Yüzey hazırlama çalışmaları kapsamında malzeme kaldırma oranı ve bunun yüzey pürüzlülüğü arasındaki ilişkiye göre düzleme ve parlatma işlemlerinin optimizasyonu tamamlanmıştır. Mekaniksel hasarlar ve malzeme kaldırma oranı için çeşitli kristalografik yönemliler ve faklı çinlo konsantrasyonların nono-mekanık davranışaları incelenmiştir.Yüzey ve altyüzey hasararı, CdZnTe alt taş üzerinde yüksek kaliteli MCT epi-katman büyümesini engellemektedir. Mekanik işlemler sırasında (kesme, düzleme ve parlatma) ortaya çıkan mikroçatlak, plastik bozulmalar ve kayma (dislokasyon) incelenmesi gerekmektedir. Her yüzey hazırlama işlemi sonrası yüzey topografisi ve morfolojisi yüzey profilometresi, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elekron mikroskobu (SEM) ile analiz edilmiştir. Yüzey ve yüzey altı hasarlar yüksek çözünürlük taramalı elektron mikroskobu ile farklı işlemler sırasında oluşturulan kusurlar incelenmiştir. Yüzeyi hazırlanan tek kristal alana sahip CdZnTe kristalleri yapısal, bileşimsel ve optiksel olarak karakterize edilmiştir. Yüzey hazırlama çalışmalarının etkisini anlamak için her yüzey hazırlama işleminden sonra X-ışını kırınımı (XRD), elektron kırınımı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve kızılötesi geçirgenlik (FTIR) yöntemleri kullanılmıştır. Yüzey işlemlemlerinin yüzey kalitesini önemli derecede etkilediği tespit edilmiştir. Buna ek olarak, mekanik parlatma sırasında ortaya çıkan Te-birikintileri, Nakagawa ve Everson aşındırıcıları ile parlatma ve kimyasal aşınma sonrası analiz edilmiştir. 10 x 10 mm2'den büyük yüzey alanına sahip {211} ve {111} yönelimine sahip CdZNTe kristalleri XRD ölçümlerine dayanılarak yüksek oryantasyın hassasiyeti ile dilimlendi. Geniş yüzey alanında nanometre-altı, yaklaşık olarak 0.4 nm, yüzey pürüzlülüğü elde edildi. Yüzey hazılama işleri sırasında örnek yüzeyinde çinko konsantrasyonu Cd0.90Zn0.10Te kristalleri için yaklaşık %10 ve Cd0.96Zn0.04Te kristalleri için yaklaşık olarak %4 olarak ölçülmüştür. Ayna gibi parlatılmış yüzeylerde kızılötesi geçirgenlik %60'dan fazla ölçülmüştür.

Cadmium Zinc Telluride (Cd1-xZnxTe, CdZnTe) crystals are used in two different applications depending on Zinc (Zn) concentrations. CdZnTe crystals are one of the most promising materials for X-ray and gamma-ray detector applications due to unique material properties such as high atomic number and high resistivity. Wide band gap and high stopping potential of CdZnTe crystals allow operation at room temperature for high performance detectors with several applications including medical imaging, astronomy, and homeland security. CdZnTe crystals are also known to be substrate material for epitaxial growth of Mercury Cadmium Telluride (HgCdTe, MCT) high performance infrared detectors by Molecular Beam Epitaxy (MBE) since lattice constants of HgCdTe and Cd0.96Zn0.04Te are perfectly matched. Producing high quality epi-ready substrates with low defect density on large size wafers (i.e. 2 cm x 2 cm) is highly critical for the MCT based infrared detectors. High quality MBE requires uniform zinc concentration and low-defect density. This thesis focuses on surface treatments and characterization of finished Cd1-xZnxTe single crystals with surface quality factors such as surface roughness and orientation accuracy for {111} and {211} orientations. These two application desire ultra-flat wafers with desired thickness variation. The main aim is to have sub-nanometer surface roughness and ultra-flat surfaces on the large wafer areas. Within the scope of surface finishing studies, I focused on the optimization of lapping and polishing processes with respect to material removal rate (MRR) and its relation to surface roughness. Nano-mechanical behaviors of various crystallographic orientations and different zinc concentrations were to be understood for machining damage and MRR. Surface and subsurface damages prevent growth of high quality MCT epi-layers on CZT substrates. Microcracks, plastic deformations, and dislocations induced by machining processes are the main issues required to be investigated. The surface topography and morphology after each process was observed by surface profilometer, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM) techniques. Surface and subsurface damage were observed by SEM to understand induced defects after each surface process. Finished CdZnTe single crystals have been characterized in terms of structural, compositional, and optical. X-ray Diffraction (XRD), Electron Dispersive X-ray (EDX) Spectroscopy, and Fourier Transform Infrared (FTIR) methods were employed after each surface treatment to understand the effect of surface preparations. Moreover, Te-inclusions that appears during mechanical polishing analyzed after polishing and chemical etching with Nakagawa and Everson etchants. (211) and (111) oriented CdZnTe crystals having sizes up to 20 x 30 mm2 were sliced with high orientation accuracy based on XRD measurements. Sub-nanometer surface roughness rms down to 0.4 nm was achieved on larger surface area. Zinc distribution throughout finished samples were uniform to be around 10% for Cd0.90Zn0.10Te and 4% for Cd0.96Zn0.04Te crystals. CdZnTe crystals are stoichiometric after final chemical polishing. IR transmittance of mirror-like polished samples were near 66%, which is the theoretical limit.