Теллурид ртути, кадмия

Hg _1-x Cd _x Te или теллурид ртути-кадмия (также теллурид ртути кадмия , MCT , MerCad Telluride , MerCadTel , MerCaT или CMT ) представляет собой химическое соединение теллурида кадмия (CdTe) и теллурида ртути (HgTe) с настраиваемой запрещенной зоной, охватывающей от коротковолнового инфракрасного диапазона до очень длинноволнового инфракрасного диапазона. Количество кадмия (Cd) в сплаве можно выбрать таким образом, чтобы настроить оптическое поглощение материала на желаемую инфракрасного излучения длину волны . CdTe представляет собой полупроводник с шириной запрещенной зоны примерно 1,5 электронвольта (эВ) при комнатной температуре. HgTe — полуметалл , а это означает, что его энергия запрещенной зоны равна нулю. Смешение этих двух веществ позволяет получить любую ширину запрещенной зоны от 0 до 1,5 эВ.

Энергетическая щель в зависимости от состава кадмия.

Характеристики

Физический

Элементарная ячейка из цинковой обманки

Hg _1−x Cd _x Te имеет структуру цинковой обманки с двумя взаимопроникающими гранецентрированными кубическими решетками, смещенными на (1/4,1/4,1/4)a _o в примитивной ячейке. Катионы Cd и Hg статистически смешаны в желтой подрешетке, а анионы Те образуют серую подрешетку на изображении.

Электронный

Подвижность электронов HgCdTe с большим содержанием Hg очень высока. Среди обычных полупроводников, используемых для инфракрасного обнаружения, только InSb и InAs превосходят по подвижности электронов HgCdTe при комнатной температуре. При 80 К подвижность электронов Hg _0,8 Cd _0,2 Te может составлять несколько сотен тысяч см3. ² /(Против). Электроны также имеют большую баллистическую длину при этой температуре; их средняя длина свободного пробега может составлять несколько микрометров.

Собственная концентрация носителей определяется выражением

$n_{i}(t,x)=(5.585-3.82x+(1.753\cdot 10^{-3})t-1.364\cdot 10^{-3}t\cdot x)\cdot 10^{14}\cdot E_{g}(t,x)^{0.75}\cdot t^{1.5}\cdot e^{\frac {-E_{g}(t,x)\cdot q}{2\cdot k\cdot t}}$

где k — постоянная Больцмана, q — элементарный электрический заряд, t — температура материала, x — процентная концентрация кадмия, а E _g — ширина запрещенной зоны, определяемая выражением

Запрещенная зона HgCdTe в электронвольтах в зависимости от состава x и температуры

Длина волны отсечки HgCdTe в мкм в зависимости от состава x и температуры.

Связь между запрещенной зоной и длиной волны отсечки

$E_{g}(t,x)=-0.302+1.93\cdot x+(5.35\cdot 10^{-4})\cdot t\cdot (1-2\cdot x)-0.81\cdot x^{2}+0.832\cdot x^{3}$

Использование отношений $\lambda _{p}={\frac {1.24}{E_{g}}}$, где λ находится в мкм и E _g . находится в электрон-вольтах, можно также получить длину волны отсечки как функцию x и t :

$\lambda _{p}=(-0.244+1.556\cdot x+(4.31\cdot 10^{-4})\cdot t\cdot (1-2\cdot x)-0.65\cdot x^{2}+0.671\cdot x^{3})^{-1}$

Срок службы миноритарного перевозчика

Оже-рекомбинация

На HgCdTe влияют два типа оже-рекомбинации : оже-1 и оже-рекомбинация 7. В оже-рекомбинации 1 участвуют два электрона и одна дырка, при которой электрон и дырка объединяются, а оставшийся электрон получает энергию, равную или превышающую ширину запрещенной зоны. Рекомбинация Оже-7 аналогична Оже-рекомбинации 1, но включает один электрон и две дырки.

Время жизни неосновных носителей Оже 1 для собственного (нелегированного) HgCdTe определяется выражением

$\tau _{Auger1}(t,x)={\frac {2.12\cdot 10^{-14}\cdot {\sqrt {E_{g}(t,x)}}\cdot e^{\frac {q\cdot E_{g}(t,x)}{k\cdot t}}}{FF^{2}\cdot ({\frac {k\cdot t}{q}})^{1.5}}}$

где FF — интеграл перекрытия (приблизительно 0,221).

Время жизни неосновных носителей Оже 1 для легированного HgCdTe определяется выражением

$\tau _{Auger1_{doped}}(t,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{Auger1(t,x)}}{1+({\frac {n}{n_{i}(t,x)}})^{2}}}$

где n — равновесная концентрация электронов.

Время жизни неосновных носителей Оже-7 для собственного HgCdTe примерно в 10 раз превышает время жизни неосновных носителей Оже-1:

$\tau _{Auger7}(t,x)=10\cdot \tau _{Auger1}(t,x)$

Время жизни неосновных носителей Оже-7 для легированного HgCdTe определяется выражением

$\tau _{Auger7_{doped}}(t,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{Auger7(t,x)}}{1+({\frac {n_{i}(t,x)}{n}})^{2}}}$

Суммарный вклад оже-1 и оже-7-рекомбинации в время жизни неосновных носителей рассчитывается как

$\tau _{Auger}(t,x)={\frac {\tau _{Auger1}(t,x)\cdot \tau _{Auger7}(t,x)}{\tau _{Auger1}(t,x)+\tau _{Auger7}(t,x)}}$

Механический

HgCdTe — мягкий материал из-за слабых связей Hg с теллуром. Это более мягкий материал, чем любой обычный полупроводник III-V. по шкале Мооса Твердость HgTe равна 1,9, CdTe — 2,9 и Hg _0,5 , Cd _0,5 Te — 4. Твердость солей свинца еще ниже.

Термальный

Теплопроводность ; HgCdTe низкая при низких концентрациях кадмия она составляет всего 0,2 Вт·К. ⁻¹ м ⁻¹ . Это означает, что он непригоден для устройств большой мощности. Хотя инфракрасные светодиоды и лазеры изготавливаются из HgCdTe, для эффективности они должны работать в холодном состоянии. 150 Удельная теплоемкость Дж·кг. ⁻¹ К ⁻¹ .

Оптический

HgCdTe прозрачен в инфракрасном диапазоне при энергиях фотонов ниже энергетической щели. Показатель преломления высокий, достигая почти 4 для HgCdTe с высоким содержанием Hg.

Инфракрасное обнаружение

HgCdTe — единственный распространенный материал, который может обнаруживать инфракрасное излучение в обоих доступных окнах атмосферы . Это от 3 до 5 мкм (средневолновое инфракрасное окно, сокращенно MWIR ) и от 8 до 12 мкм (длинноволновое окно, LWIR ). Детектирование в окнах MWIR и LWIR достигается с использованием 30% [(Hg _0,7 Cd _0,3 )Te] и 20% [(Hg _0,8 Cd _0,2 )Te] кадмия соответственно. HgCdTe также может обнаруживать в коротковолновых инфракрасных атмосферных окнах SWIR от 2,2 до 2,4 мкм и от 1,5 до 1,8 мкм.

HgCdTe является распространенным материалом в фотодетекторах инфракрасных спектрометров с преобразованием Фурье . Это связано с большим спектральным диапазоном детекторов HgCdTe, а также с высокой квантовой эффективностью. Его также можно найти в военной области, в дистанционном зондировании и исследованиях в инфракрасной астрономии . Военные технологии зависят от HgCdTe для ночного видения . В частности, ВВС США широко используют HgCdTe на всех самолетах, а также для оснащения бортовых интеллектуальных бомб . Детекторами HgCdTe также оснащены различные ракеты с тепловым наведением. Детекторные решетки HgCdTe также можно найти на большинстве крупнейших исследовательских телескопов мира, включая несколько спутников. Многие детекторы HgCdTe (например, детекторы Hawaii и NICMOS ) названы в честь астрономических обсерваторий или инструментов, для которых они изначально были разработаны.

Основным ограничением детекторов LWIR на основе HgCdTe является то, что им необходимо охлаждение до температур, близких к температуре жидкого азота (77K), для уменьшения шума, вызванного термически возбужденными носителями тока (см. охлаждаемую инфракрасную камеру ). Камеры MWIR HgCdTe могут работать при температурах, доступных для термоэлектрических охладителей, с небольшим ухудшением производительности. Следовательно, детекторы HgCdTe относительно тяжелы по сравнению с болометрами и требуют обслуживания. С другой стороны, HgCdTe имеет гораздо более высокую скорость обнаружения (частоту кадров) и значительно более чувствителен, чем некоторые из его более экономичных конкурентов.

HgCdTe можно использовать в качестве гетеродинного детектора, в котором обнаруживается интерференция между локальным источником и отраженным лазерным светом. В этом случае он может обнаруживать такие источники, как CO ₂ -лазеры. В режиме гетеродинного обнаружения HgCdTe можно не охлаждать, хотя за счет охлаждения достигается большая чувствительность. Могут использоваться фотодиоды, фотопроводники или фотоэлектромагнитные (ПЭМ) режимы. Полоса пропускания, значительно превышающая 1 ГГц, может быть достигнута с помощью фотодиодных детекторов.

Основными конкурентами HgCdTe являются менее чувствительные болометры на основе Si (см. неохлаждаемую инфракрасную камеру ), InSb (STJ) , считающие фотоны и матрицы сверхпроводящих туннельных переходов . Инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами (QWIP), изготовленные из полупроводниковых материалов III-V, таких как GaAs и AlGaAs , являются еще одной возможной альтернативой, хотя их теоретические пределы производительности уступают матрицам HgCdTe при сопоставимых температурах и требуют использования сложных отражательных/дифракционных решеток. для преодоления определенных эффектов исключения поляризации, которые влияют на чувствительность массива . В будущем основным конкурентом детекторов HgCdTe могут стать инфракрасные фотодетекторы на квантовых точках (QDIP), основанные либо на коллоидной типа II структуре, либо на сверхрешетке . Уникальные трехмерные эффекты квантового ограничения сочетании с униполярным (неэкситонным фотоэлектрическим в поведением ) характером квантовых точек могут обеспечить сопоставимые характеристики с HgCdTe при значительно более высоких рабочих температурах . Первоначальные лабораторные работы показали многообещающие результаты в этом отношении, и QDIP могут стать одним из первых значительных результатов. нанотехнологических появление продуктов.

В HgCdTe обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон достаточной энергии выбрасывает электрон из валентной зоны в зону проводимости . Такой электрон собирается подходящей интегральной схемой внешнего считывания (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал. Физическое соединение матрицы детекторов HgCdTe с ROIC часто называют « матрицей в фокальной плоскости ».

Напротив, в болометре свет нагревает крошечный кусочек материала. Изменение температуры болометра приводит к изменению сопротивления, которое измеряется и преобразуется в электрический сигнал.

Теллурид ртути-цинка имеет лучшие характеристики химической, термической и механической стабильности, чем HgCdTe. У него более резкое изменение энергетической разницы с составом ртути, чем у HgCdTe, что затрудняет контроль состава.

Методы выращивания HgCdTe

Объемный рост кристаллов

Первым крупномасштабным методом выращивания была объемная перекристаллизация жидкого расплава. Это был основной метод роста с конца 1950-х до начала 1970-х годов.

Эпитаксиальный рост

Высокочистый и кристаллический HgCdTe изготавливается методом эпитаксии на подложках CdTe или CdZnTe . CdZnTe — сложный полупроводник , параметр решетки которого точно соответствует параметру решетки HgCdTe. Это устраняет большинство дефектов эпитаксиального слоя HgCdTe. CdTe был разработан в качестве альтернативного субстрата в 90-х годах. Его решетка не соответствует HgCdTe, но он намного дешевле, поскольку его можно выращивать методом эпитаксии на подложках из кремния (Si) или германия (Ge).

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), при которой подложка CdZnTe опускается и вращается поверх поверхности медленно остывающего жидкого расплава HgCdTe. Это дает наилучшие результаты с точки зрения качества кристаллов и до сих пор является распространенным методом промышленного производства.

В последние годы молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) получила широкое распространение благодаря ее способности накладывать друг на друга слои сплава различного состава. Это позволяет одновременное обнаружение на нескольких длинах волн. Кроме того, MBE, а также MOVPE позволяют выращивать на подложках большой площади, таких как CdTe на Si или Ge, тогда как LPE не позволяет использовать такие подложки.

Токсичность

Теллурид ртути, кадмия, как известно, является токсичным материалом, дополнительная опасность которого связана с высоким давлением паров ртути при температуре плавления материала; несмотря на это, он продолжает разрабатываться и использоваться в своих приложениях.

См. также

Похожие материалы

• Теллурид ртути , Теллурид кадмия , Теллурид ртути-цинка .

Другие материалы для инфракрасного обнаружения

• Антимонид индия , Арсенид индия , Антимонид арсенида индия , Селенид свинца , QWIP

Другой

• Инфракрасное , термография .

Ссылки

Примечания

Библиография

• Лоусон, штат Вашингтон; Нильсон, С.; Патли, Э.Х.; Янг, А.С. (1959). «Получение и свойства HgTe и смешанных кристаллов HgTe-CdTe». Дж. Физ. хим. Твердые тела . 9 (3–4): 325–329. Бибкод : 1959JPCS....9..325L . дои : 10.1016/0022-3697(59)90110-6 . . (Самая ранняя известная ссылка)
• Свойства узкощелевых соединений на основе кадмия / Под ред. П. Кэппер (INSPEC, IEE, Лондон, Великобритания, 1994 г.) ISBN   0-85296-880-9
• Инфракрасные детекторы HgCdTe , П. Нортон, Обзор оптоэлектроники, том. 10(3), 159–174 (2002)
• Рогальский, А (2005). «Материал инфракрасного детектора HgCdTe: история, состояние и перспективы». Отчеты о прогрессе в физике . 68 (10): 2267–2336. Бибкод : 2005РПФ...68.2267Р . дои : 10.1088/0034-4885/68/10/R01 . S2CID   53975198 .
• Чен, AB; Лай-Сюй, Ю.М.; Кришнамурти, С; Бердинг, Массачусетс (1990). «Зончатые структуры сплавов и сверхрешеток HgCdTe и HgZnTe». Полупроводниковая наука и технология . 5 (3С): С100. Бибкод : 1990SeScT...5S.100C . дои : 10.1088/0268-1242/5/3S/021 . S2CID   250734000 .
• Финкман, Э.; Немировский Ю. (1979). «Инфракрасное оптическое поглощение Hg_1-xCd_xTe». Дж. Прил. Физ . 50 (6): 4356. Бибкод : 1979JAP....50.4356F . дои : 10.1063/1.326421 . .
• Финкман, Э.; Шахам, SE (1984). «Хвост полосы экспоненциального оптического поглощения Hg1-xCdxTe». Журнал прикладной физики . 56 (10): 2896. Бибкод : 1984JAP....56.2896F . дои : 10.1063/1.333828 .
• Боуэн, Гэвин Дж. (2005). «HOTEYE: новая тепловизионная камера, использующая инфракрасные детекторы с более высокой рабочей температурой». В Андресене, Бьорн Ф; Фулоп, Габор Ф. (ред.). Инфракрасные технологии и их применение XXXI . Том. 5783. стр. 392–400. дои : 10.1117/12.603305 . S2CID   96808301 . .
• Полупроводниковые квантовые ямы и сверхрешетки для длинноволновых инфракрасных детекторов М.О. Манасре, редактор (Artech House, Норвуд, Массачусетс), ISBN   0-89006-603-5 (1993).
• Холл, Дональд Н.Б.; Аткинсон, Дэни (2012). «Работа первых установок HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе». В Голландии Эндрю Д.; Белетич, Джеймс В. (ред.). Высокоэнергетические, оптические и инфракрасные детекторы для астрономии В . Том. 8453. стр. 84530W. Бибкод : 2012SPIE.8453E..0WH . дои : 10.1117/12.927226 .
• Холл, Дональд Н.Б.; Аткинсон, Дэни; Бланк, Ричард (2016). «Работа матрицы HAWAII 4RG-15 первого научного уровня с λc = 2,5 мкм в лаборатории и на телескопе». В Голландии Эндрю Д.; Белетич, Джеймс (ред.). Характеристики первого научного уровня лямбда_c=2,5 от массива HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе . Высокоэнергетические, оптические и инфракрасные детекторы для астрономии VII. Том. 9915. стр. 99150W. Бибкод : 2016SPIE.9915E..0WH . дои : 10.1117/12.2234369 .

Внешние ссылки

• Национальный реестр загрязнителей – Информационный бюллетень о ртути и ее соединениях
• Корея i3system в Тэджоне