Теллурид кадмия ртути

Сплав

Hg _{1− x} Cd _x Te или ртутно-кадмиевый теллурид (также кадмий-ртутный теллурид , MCT , MerCad Telluride , MerCadTel , MerCaT или CMT ) — это химическое соединение теллурида кадмия (CdTe) и теллурида ртути (HgTe) с настраиваемой шириной запрещенной зоны, охватывающей коротковолновую инфракрасную область до очень длинноволновой инфракрасной области. Количество кадмия (Cd) в сплаве можно выбрать таким образом, чтобы настроить оптическое поглощение материала на желаемую длину волны инфракрасного излучения . CdTe — это полупроводник с шириной запрещенной зоны приблизительно1,5  эВ при комнатной температуре. HgTe является полуметаллом , что означает, что его энергия запрещенной зоны равна нулю. Смешивание этих двух веществ позволяет получить любую запрещенную зону между 0 и 1,5 эВ.

Энергетическая щель как функция состава кадмия.

Характеристики

Физический

Элементарная ячейка 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, тогда как анионы Te 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 подвижность электронов HgCdTe при комнатной температуре. При 80 К подвижность электронов Hg _0,8 Cd _0,2 Te может составлять несколько сотен тысяч см ² /(В·с). Электроны также имеют большую баллистическую длину при этой температуре; их средняя длина свободного пробега может составлять несколько микрометров.

Собственная концентрация носителей заряда определяется выражением ^[1]

${\displaystyle n_{i}(T,x)=(5.585-3.82x+(1.753\cdot 10^{-3})T-1.364\cdot 10^{-3}T\cdot x)\cdot (10^{14}\cdot E_{\text{g}}^{3/4}\cdot T^{3/2}\cdot e^{\frac {-E_{\text{g}}}{2kT}})}$

где k — постоянная Больцмана, q — элементарный электрический заряд, T — температура материала, x — процент концентрации кадмия, а E _g — ширина запрещенной зоны, определяемая выражением ^[2]

Соотношение между шириной запрещенной зоны и длиной волны отсечки

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

Используя соотношение , где λ измеряется в мкм, а E _g — в электрон-вольтах, можно также получить граничную длину волны как функцию x и t : ${\displaystyle \lambda _{\text{p}}={\frac {1.24}{E_{\text{g}}}}}$

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

Срок службы неосновных носителей

Оже-рекомбинация

На HgCdTe влияют два типа рекомбинации Оже : рекомбинация Оже 1 и рекомбинация Оже 7. Рекомбинация Оже 1 включает два электрона и одну дырку, где электрон и дырка объединяются, а оставшийся электрон получает энергию, равную или большую ширины запрещенной зоны. Рекомбинация Оже 7 похожа на рекомбинацию Оже 1, но включает один электрон и две дырки.

Время жизни неосновных носителей заряда Оже-1 для собственного (нелегированного) HgCdTe определяется по формуле ^[3]

${\displaystyle \tau _{\text{Auger1}}(T,x)={\frac {2.12\cdot 10^{-14}\cdot {\sqrt {E_{\text{g}}(T,x)}}\cdot e^{\frac {q\cdot E_{\text{g}}(T,x)}{kT}}}{\mathrm {FF} ^{2}\cdot ({\frac {kT}{q}})^{1.5}}}}$

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

Время жизни неосновных носителей заряда Оже-1 для легированного HgCdTe определяется по формуле ^[4]

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

где n — равновесная концентрация электронов.

Время жизни неосновных носителей заряда Оже-7 для собственного HgCdTe примерно в 10 раз больше времени жизни неосновных носителей заряда Оже-1:

${\displaystyle \tau _{\text{Auger7}}(T,x)=10\cdot \tau _{\text{Auger1}}(T,x)}$

Время жизни неосновных носителей заряда Оже-7 для легированного HgCdTe определяется по формуле

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

Суммарный вклад рекомбинации Оже 1 и Оже 7 в время жизни неосновных носителей заряда вычисляется как

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

Механический

HgCdTe — мягкий материал из-за слабых связей, которые образует Hg с теллуром. Это более мягкий материал, чем любой обычный полупроводник III–V. Твердость по Моосу HgTe составляет 1,9, CdTe — 2,9, а Hg _0,5 Cd _0,5 Te — 4. Твердость солей свинца еще ниже. ^{[ необходима цитата ]}

Термальный

Теплопроводность HgCdTe низкая; при низких концентрациях кадмия она составляет всего 0,2 Вт·К ⁻¹ ⋅м ^{−1 . Это означает} , что он не подходит для мощных устройств. Хотя инфракрасные светодиоды и лазеры были сделаны из HgCdTe, они должны работать в холодном состоянии, чтобы быть эффективными. Удельная теплоемкость составляет 150 Дж·кг ⁻¹ ⋅К ⁻¹ . ^[5]

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 атмосферных окнах . Это от 3 до 5 мкм (средневолновое инфракрасное окно, сокращенно MWIR ) и от 8 до 12 мкм (длинноволновое окно, LWIR ). Обнаружение 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. Он также используется в военной области, дистанционном зондировании и исследованиях в области инфракрасной астрономии . Военные технологии зависят от HgCdTe для ночного видения . В частности, ВВС США широко используют HgCdTe на всех самолетах и ​​для оснащения бортовых интеллектуальных бомб . Различные ракеты с тепловым наведением также оснащены детекторами HgCdTe. Матричные детекторы HgCdTe также можно найти на большинстве крупнейших исследовательских телескопов мира , включая несколько спутников. Многие детекторы HgCdTe (такие как детекторы Hawaii и NICMOS ) названы в честь астрономических обсерваторий или инструментов, для которых они были первоначально разработаны.

Основным ограничением детекторов на основе LWIR HgCdTe является то, что им необходимо охлаждение до температур, близких к температуре жидкого азота (77 К), для снижения шума из-за термически возбужденных носителей тока (см. охлаждаемую инфракрасную камеру ). Камеры MWIR HgCdTe могут работать при температурах, доступных для термоэлектрических охладителей, с небольшим ухудшением производительности. Следовательно, детекторы HgCdTe относительно тяжелые по сравнению с болометрами и требуют обслуживания. С другой стороны, HgCdTe обладает гораздо более высокой скоростью обнаружения (частотой кадров) и значительно более чувствителен, чем некоторые из его более экономичных конкурентов.

HgCdTe может использоваться как гетеродинный детектор, в котором обнаруживается интерференция между локальным источником и отраженным лазерным светом. В этом случае он может обнаруживать такие источники, как лазеры CO2 _. В гетеродинном режиме обнаружения HgCdTe может быть неохлаждаемым, хотя большая чувствительность достигается охлаждением. Могут использоваться фотодиоды, фотопроводники или фотоэлектромагнитные (PEM) режимы. С помощью фотодиодных детекторов можно достичь полосы пропускания, значительно превышающей 1 ГГц.

Основными конкурентами HgCdTe являются менее чувствительные болометры на основе Si (см. неохлаждаемая инфракрасная камера ), InSb и массивы сверхпроводящих туннельных переходов (STJ) со счетом фотонов. 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 массивам HgCdTe при сопоставимых температурах, и они 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 с квантовыми точками (QDIP), основанные либо на коллоидной , либо на сверхрешеточной структуре типа II . Уникальные эффекты трехмерного квантового ограничения в сочетании с униполярной (неэкситонное фотоэлектрическое поведение ) природой квантовых точек могут обеспечить сопоставимую производительность с HgCdTe при значительно более высоких рабочих температурах . Первоначальные лабораторные исследования показали многообещающие результаты в этом отношении, и QDIP могут стать одним из первых значительных продуктов нанотехнологий, которые появятся.

В HgCdTe обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон достаточной энергии выталкивает электрон из валентной зоны в зону проводимости . Такой электрон собирается подходящей внешней считывающей интегральной схемой (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал. Физическое сопряжение детекторной матрицы HgCdTe с ROIC часто называют « матрицей 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 цинка ртути имеет лучшие характеристики химической, термической и механической стабильности, чем HgCdTe. Он имеет более резкое изменение энергетической щели с составом ртути, чем HgCdTe, что затрудняет контроль состава.

Методы выращивания HgCdTe

Массовый рост кристаллов

Первым методом крупномасштабного роста 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 — это полупроводниковое соединение , параметр решетки которого может быть точно подобран к параметру решетки HgCdTe. Это устраняет большинство дефектов из эпитаксиального слоя HgCdTe. CdTe был разработан в качестве альтернативного субстрата в 90-х годах. Он не подобран по решетке к HgCdTe, но намного дешевле, так как его можно выращивать методом эпитаксии на подложках из кремния (Si) или германия (Ge).

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), при которой подложка CdZnTe опускается и вращается на поверхности медленно охлаждающегося жидкого расплава HgCdTe. Это дает наилучшие результаты с точки зрения качества кристаллов и по-прежнему является распространенной технологией выбора для промышленного производства.

В последние годы молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) получила широкое распространение благодаря своей способности накладывать слои из различных сплавов. Это позволяет одновременно обнаруживать на нескольких длинах волн. Кроме того, МЛЭ, а также МОПЭ позволяют выращивать на подложках большой площади, таких как CdTe на Si или Ge, тогда как ЖПЭ не позволяет использовать такие подложки.

Токсичность

Теллурид кадмия и ртути известен как токсичный материал, дополнительная опасность которого обусловлена ​​высоким давлением паров ртути при температуре плавления материала; несмотря на это, его продолжают разрабатывать и использовать в своих целях. ^[6]

Смотрите также

Связанные материалы

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

Другие материалы для обнаружения инфракрасных лучей

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

Другой

• Инфракрасная термография .​

Ссылки

Примечания

1. Шмидт; Хансен (1983). "Расчет собственной концентрации носителей в HgCdTe". Журнал прикладной физики . 54 (3): 1639. Bibcode : 1983JAP....54.1639H. doi : 10.1063/1.332153.
2. состава сплава и температуры в HgCdTe». Журнал прикладной физики . 53. doi :10.1063/1.330018.
3. Кинч (2005). "Время жизни неосновных носителей заряда в p-HgCdTe". Журнал электронных материалов . 34 (6): 880–884. Bibcode : 2005JEMat..34..880K. doi : 10.1007/s11664-005-0036-2. S2CID  95289400.
4. Redfern (2001). «Измерения длины диффузии в p-HgCdTe с использованием тока, индуцированного лазерным лучом». Журнал электронных материалов . 30 (6): 696–703. Bibcode : 2001JEMat..30..696R. doi : 10.1007/BF02665858. S2CID  94762645.
5. Chen, CS; Liu, AH; Sun, G; He, JL; Wei, XQ; Liu, M; Zhang, ZG; Man, BY (2006). «Анализ порога лазерного повреждения и морфологических изменений на поверхности кристалла HgCdTe». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 8 (1): 88–92. Bibcode : 2006JOptA...8...88C. doi : 10.1088/1464-4258/8/1/014. S2CID  121767039.
6. Бахрам Занди; Драгица Василеска ; Приялал Виджеварнасурия (ноябрь 2009 г.). "Моделирование фотодиодов на основе теллурида ртути и кадмия (HgCdTe)" (PDF) . Apps.dtic.mil . Архивировано (PDF) из оригинала 29 декабря 2021 г. Получено 12.03.2022 .

Библиография

• Lawson, WD; Nielson, S.; Putley, EH; Young, AS (1959). «Получение и свойства HgTe и смешанных кристаллов HgTe-CdTe». J. Phys. Chem. Solids . 9 (3–4): 325–329. Bibcode : 1959JPCS....9..325L. doi : 10.1016/0022-3697(59)90110-6.. (Самое раннее известное упоминание)
• Свойства соединений на основе кадмия с узкой запрещенной зоной , ред. П. Каппер (INSPEC, IEE, Лондон, Великобритания, 1994) ISBN 0-85296-880-9 
• Инфракрасные детекторы HgCdTe, P. Norton, Opto-Electronics Review, т. 10(3), 159–174 (2002)
• Рогальский, А (2005). "Материал инфракрасного детектора HgCdTe: история, статус и перспективы". Reports on Progress in Physics . 68 (10): 2267–2336. Bibcode : 2005RPPh...68.2267R. doi : 10.1088/0034-4885/68/10/R01. S2CID  53975198.
• Chen, AB; Lai-Hsu, YM; Krishnamurthy, S; Berding, MA (1990). "Зонные структуры сплавов и сверхрешеток HgCdTe и HgZnTe". Semiconductor Science and Technology . 5 (3S): S100. Bibcode : 1990SeScT...5S.100C. doi : 10.1088/0268-1242/5/3S/021. S2CID  250734000.
• Финкман, Э.; Немировский, Ю. (1979). "Инфракрасное оптическое поглощение Hg _{1− x} Cd _x Te". J. Appl. Phys . 50 (6): 4356. Bibcode : 1979JAP....50.4356F. doi : 10.1063/1.326421..
• Finkman, E.; Schacham, SE (1984). "Экспоненциальный хвост оптической полосы поглощения Hg _{1− x} Cd _x Te". Журнал прикладной физики . 56 (10): 2896. Bibcode : 1984JAP....56.2896F. doi : 10.1063/1.333828.
• Боуэн, Гэвин Дж. (2005). «HOTEYE: новая тепловизионная камера, использующая инфракрасные детекторы с более высокой рабочей температурой». В Андресен, Бьорн Ф.; Фулоп, Габор Ф. (ред.). Инфракрасные технологии и их применение XXXI . Т. 5783. С. 392–400. doi :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 НБ; Аткинсон, Дани (2012). «Характеристики первых массивов HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе». В Холланде, Эндрю Д; Белетич, Джеймс У (ред.). Высокоэнергетические, оптические и инфракрасные детекторы для астрономии V. Том 8453. С. 84530W. Bibcode : 2012SPIE.8453E..0WH. doi : 10.1117/12.927226.
• Холл, Дональд НБ; Аткинсон, Дани; Бланк, Ричард (2016). «Характеристики первой научной решетки λ _c = 2,5 мкм HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе». В Холланде, Эндрю Д; Белетич, Джеймс (ред.). Характеристики первой научной решетки λ _c = 2,5 мкм HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе . Высокоэнергетические, оптические и инфракрасные детекторы для астрономии VII. Том 9915. С. 99150W. Bibcode : 2016SPIE.9915E..0WH. doi : 10.1117/12.2234369.

Внешние ссылки

• Национальный реестр загрязняющих веществ – Информационный бюллетень по ртути и ее соединениям
• Корея i3system в Тэджоне