Molecular beam epitaxy growth and characterization of CdTe heterostructures on GaAs-effect of interface, growth, and annealing conditions to crystal quality

Abstract

Highly crystalline CdTe structures are desired for solar cells, x-ray detectors, electro-optical modulators, and especially in Hg1-xCdxTe infra-red detectors. Epitaxial growth of Hg1-xCdxTe infra-red layers are usually performed on lattice matched bulk CdZnTe substrates. But, limited size and fragile nature of the CdZnTe have led to a push for alternative substrates such as GaAs. The large lattice mismatch between Hg1-xCdxTe and GaAs requires an implantation of a buffer layer such as CdTe. In addition (211)B orientation is preferred due to high sticking coefficient of Hg on this orientation and suppression of twin formation. In the first part of this study, the effect of the thermal deoxidation of GaAs(211)B surface on which CdTe layers grown was investigated by various in situ and ex situ experimental techniques. The changes in the surface chemical structure and morphology of GaAs(211)B substrates with As4 and In assisted deoxidation under various conditions were presented. Secondly, the effect of the growth conditions on CdTe epilayers by using molecular beam epitaxy were investigated in two parts; (1) the initiation of the CdTe growth and (2) the equilibrium growth conditions. The correlations between the structural defects, twins, point defects, and dislocations with the growth conditions are determined. Thirdly, the effect of the cyclic annealing to the crystal and surface quality of the CdTe epilayers were investigated by using different temperatures during the annealing. Finally, the effect of the temperature uniformity during the production of the CdTe layers was investigated by the two substrate heater geometries consisting of rotational symmetric and tilted at the edge. A new approach to study the dislocations with different types of cores proposed by Ayers is applied to the zinc blende (211) crystal orientation. It has been shown that the dislocations having two different cores responded differently to both growth and annealing conditions. The results of the experimental techniques probing the dislocation density in CdTe layers are not well correlated with each other due to dual origin of these dislocations. The compressive and biaxial stresses building in the CdTe layers due to growth and annealing conditions were resolved with the investigation of the optical properties of the layers.

Güneş pilleri, x-ışını detektörleri, elektro-optik modülatörler ve özellikle de HgCdTe kızılötesi dedektörler için yüksek kristal kalite CdTe yapıları arzu edilmektedir. HgCdTe kızıl ötesi tabakaların epitaksiyel büyütülmesi genellikle örgü uyumlu CdZnTe alt-tabanları üzerinde gerçekleştirilir. Ancak, CdZnTe’nin sınırlı boyutu ve kırılganlığı GaAs gibi alternatif alt-tabanlara yönenilmesine yol açmı¸stır. HgCdTe ve GaAs arasındaki büyük örgü uyuşmazlığı, CdTe gibi bir tampon katmanın GaAs taban üstüne büyütülmesini gerektirir. Ek olarak, (211) B yüzey yönelimi seçilerek, Hg’nın yapışma katsayısının yüksek olması ve ikiz oluşumunun bastırılması sağlanabilir. Bu çalışmanın ilk bölümünde, CdTe tabakalarının büyütülmesinde alt-taban olan GaAs (211)B yüzeyinin termal deoksidasyonunun etkisi, çeşitli in situ ve ex situ karakterizasyon teknikleriyle araştırılmıştır. Çeşitli koşullar altında gerçekleştirilen As4 ve In akısı altında deoksidasyonun, GaAs (211) B tabanlarının yüzey kimyasal yapısı ve morfolojisine etkisi sunulmuştur. İkinci olarak, büyüme koşullarının moleküler demet epitaksi yöntemi ile büyütülen CdTe epi-katmanlara etkisi iki bölümde incelenmi¸stir; (1) CdTe büyütmesinin başlatılması ve (2) kararlı durumda gerçekleştirilen büyütme koşulları. Yapısal kusurlar, ikizler, nokta kusurları ve dislokasyonlar ile büyütme koşulları arasındaki korelasyonlar belirlenmiştir. Üçüncü olarak, tekrarlı tavlamanın CdTe epikatmanların kristal ve yüzey kalitesine etkisi farklı tavlama sıcaklıkları ile araştırılmıştır. Son olarak, CdTe katmanlarının büyütülmesi ve tavlanması sırasındaki sıcaklık homojenitesinin etkisi, dairesel simetri ve bu simetrinin kırılmasıyla oluşan ısıtıcı geometrisi ile araştırılmıştır. Ayers tarafından önerilen ve Çinko-blend yapıdaki kristallerde bulunan farklı kökenli dislokasyonların incelemek için sunulan yöntem, (211) kristal yönelimine uygulanmıştır. İki farklı çekirdeğe sahip dislokasyonların büyütme ve tavlama şartlarından farklı olarak etkilendiği gösterilmiştir. CdTe katmanlarındaki dislokasyon yoğunluğunu ölçen deneysel tekniklerin sonuçları arasındaki uyumsuzluğa Çinko-blende yapılardaki dislokasyonların iki farklı çekirdeğe sahip olmasının neden olduğu tespit edilmiştir. CdTe katmanlarında büyütme ve tavlama koşulları nedeniyle oluşan baskı ve çift eksenli gerilmeler, katmanların optik özelliklerinin incelenmesi ile tespit edilmiştir.