Теллурид кадмия ртути - Mercury cadmium telluride

Hg_1-хCD_ИксTe или же теллурид кадмия ртути (также теллурид кадмия и ртути, MCT, MerCad Telluride, MerCadTel, МЕРКАТ или же CMT) представляет собой химическое соединение теллурид кадмия (CdTe) и теллурид ртути (HgTe) с настраиваемой шириной запрещенной зоны, охватывающей от коротковолнового инфракрасного до очень длинноволнового инфракрасного диапазонов. Количество кадмия (Cd) в сплаве можно выбрать так, чтобы настроить оптическое поглощение материала на желаемое. инфракрасный длина волны. CdTe - это полупроводник с запрещенная зона примерно 1,5электронвольт (эВ) при комнатной температуре. HgTe - это полуметалл, что означает, что его запрещенная энергия равна нулю. Смешивание 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-хCD_ИксТе имеет цинковая обманка структура с двумя взаимопроникающими гранецентрированными кубическими решетками, смещенными на (1 / 4,1 / 4,1 / 4) a_о в примитивной клетке. Катионы Cd представляют собой Hg, статистически смешанные на желтой подрешетке, в то время как анионы Te образуют серую подрешетку на изображении.

Электронный

В подвижность электронов HgCdTe с большим содержанием Hg очень высок. Среди обычных полупроводников, используемых для обнаружения инфракрасного излучения, только InSb и InAs превосходит подвижность электронов HgCdTe при комнатной температуре. При 80 K подвижность электронов Hg_0.8CD_0.2Te может быть несколько сотен тысяч см²/(Против). Электроны также имеют большую баллистическую длину при этой температуре; их длина свободного пробега может составлять несколько микрометров.

Собственная концентрация носителей определяется выражением ^[1]

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

куда k - постоянная Больцмана, q элементарный электрический заряд, т температура материала, Икс - процент содержания кадмия, и E_грамм это ширина запрещенной зоны ^[2]

Зависимость запрещенной зоны HgCdTe в электрон-вольтах от x-состава и температуры

Длина волны отсечки HgCdTe в мкм как функция x состава и температуры.

Связь между шириной запрещенной зоны и длиной волны отсечки

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

Используя отношения ${\displaystyle \lambda _{p}={\frac {1.24}{E_{g}}}}$, где λ выражается в мкм и E_грамм. измеряется в электрон-вольтах, можно также получить длину волны отсечки как функцию Икс и т:

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

Срок службы миноритарных носителей

Оже-рекомбинация

Два типа Оже-рекомбинация влияют на рекомбинацию HgCdTe: Auger 1 и Auger 7. В рекомбинации оже-1 участвуют два электрона и одна дырка, где электрон и дырка объединяются, а оставшийся электрон получает энергию, равную ширине запрещенной зоны или превышающую ее. Рекомбинация Оже-7 аналогична Оже-1, но включает один электрон и две дырки.

Время жизни неосновных носителей Оже-1 для собственного (нелегированного) HgCdTe равно^[3]

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

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

Время жизни неосновных носителей Оже-1 для легированного HgCdTe определяется выражением ^[4]

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

где n - равновесная концентрация электронов.

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

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

Время жизни неосновных носителей Оже-7 для легированного HgCdTe равно

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

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

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

Механический

HgCdTe - мягкий материал из-за слабых связей Hg с теллуром. Это более мягкий материал, чем любой обычный полупроводник III-V. Моос твердость HgTe - 1,9, CdTe - 2,9 и Hg_0.5CD_0.5Те равно 4. Жесткость солей свинца еще ниже.

Термический

В теплопроводность HgCdTe низкий; при низких концентрациях кадмия он составляет всего 0,2 Вт · К⁻¹м⁻¹. Это означает, что он не подходит для устройств с большой мощностью. Хотя инфракрасный светодиоды а лазеры сделаны из HgCdTe, чтобы они были эффективными, они должны работать в холодном состоянии. В удельная теплоемкость 150 Дж · кг⁻¹K⁻¹.^[5]

Оптический

HgCdTe прозрачен в инфракрасном диапазоне при энергиях фотонов ниже энергетической щели. В 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 атмосферные окна. Они составляют 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_0.7CD_0.3) Te] и 20% [(Hg_0.8CD_0.2) Te] кадмий соответственно. HgCdTe также может обнаруживать в коротковолновом инфракрасном диапазоне SWIR атмосферные окна от 2,2 до 2,4 мкм и от 1,5 до 1,8 мкм.

HgCdTe - распространенный материал в фотоприемники из Инфракрасные спектрометры с преобразованием Фурье. Это связано с большим спектральным диапазоном детекторов HgCdTe, а также высокой квантовой эффективностью. Он также встречается в военной области, дистанционное зондирование и инфракрасная астрономия исследование. Военные технологии зависели от HgCdTe для ночное видение. В частности, ВВС США широко использует HgCdTe на всех самолетах, а также для оснащения бортовых умные бомбы. Различные ракеты с тепловым наведением также оснащены детекторами HgCdTe. Матрицы детекторов HgCdTe также можно найти в большинстве крупных мировых исследований. телескопы включая несколько спутников. Многие детекторы HgCdTe (например, Гавайи и НИКМОС детекторы) названы в честь астрономических обсерваторий или инструментов, для которых они были первоначально разработаны.

Основное ограничение LWIR-детекторов на основе HgCdTe заключается в том, что они нуждаются в охлаждении до температур, близких к температуре жидкий азот (77K), чтобы уменьшить шум из-за термически возбужденных носителей тока (см. инфракрасная камера ). Камеры MWIR HgCdTe могут работать при температурах, доступных для термоэлектрический кулеры с небольшим падением производительности. Следовательно, детекторы HgCdTe относительно тяжелые по сравнению с болометры 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 можно использовать как гетеродин детектор, в котором обнаруживается интерференция между локальным источником и отраженным лазерным светом. В этом случае он может обнаруживать такие источники, как CO.₂ лазеры. В гетеродинном режиме обнаружения HgCdTe может быть неохлаждаемым, хотя большая чувствительность достигается за счет охлаждения. Могут использоваться фотодиоды, фотопроводники или фотоэлектромагнитные (PEM) режимы. Полоса пропускания, значительно превышающая 1 ГГц, может быть достигнута с помощью фотодиодных детекторов.

Основные конкуренты HgCdTe - менее чувствительные на основе Si. болометры (см. неохлаждаемый инфракрасная камера ), InSb и счет фотонов сверхпроводящий туннельный переход (STJ) массивы. Квантовые инфракрасные фотоприемники (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 массив отзывчивость. В будущем основным конкурентом детекторов HgCdTe может появиться Квантовая точка Инфракрасные фотодетекторы (QDIP), основанные на коллоидный или тип II сверхрешетка структура. Уникальный 3-D квантовое ограничение эффекты в сочетании с униполярным (не-экситон основан фотоэлектрический поведение) природа квантовых точек может позволить сравнимую производительность с HgCdTe при значительно более высоких рабочие температуры. Первоначальные лабораторные работы показали многообещающие результаты в этом отношении, и QDIP могут быть одними из первых значительных нанотехнологии продукты появиться.

В HgCdTe обнаружение происходит, когда инфракрасный фотон достаточной энергии пинает электрон от валентная полоса к зона проводимости. Такой электрон собирается подходящим внешним считывающие интегральные схемы (ROIC) и преобразованный в электрический сигнал. Физическое соединение матрицы детекторов HgCdTe с ROIC часто называют "матрица в фокальной плоскости ".

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

Теллурид цинка ртути обладает лучшими характеристиками химической, термической и механической стабильности, чем HgCdTe. У него более крутое изменение энергетической щели в зависимости от состава ртути, чем у HgCdTe, что затрудняет контроль состава.

Методы выращивания HgCdTe

Объемный рост кристаллов

Первым методом крупномасштабного выращивания была перекристаллизация жидкого расплава в объеме. Это был основной метод выращивания с конца 1950-х до начала 1970-х годов.

Эпитаксиальный рост

Высокочистый и кристаллический HgCdTe производится эпитаксия на CdTe или CdZnTe субстраты. CdZnTe - это составной полупроводник, параметр решетки которого может быть точно согласован с параметром HgCdTe. Это устраняет большинство дефектов эпитаксиального слоя HgCdTe. CdTe был разработан в качестве альтернативной подложки в 90-х годах. Он не согласован по решетке с HgCdTe, но намного дешевле, так как его можно выращивать методом эпитаксии на кремнии (Si) или германий (Ge) подложки.

Жидкофазная эпитаксия (LPE), в котором подложка CdZnTe опускается и вращается поверх поверхности медленно охлаждающегося жидкого расплава HgCdTe. Это дает наилучшие результаты с точки зрения качества кристаллов, и по-прежнему является распространенным методом выбора для промышленного производства.

В былые времена, молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) получил широкое распространение из-за его способности накладывать слои из 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

Развитие технологии выращивания кристаллов шло сознательно и неуклонно в течение четырех десятилетий, несмотря на высокое давление паров Hg при температуре плавления HgCdTe и известные ^[6]токсичность материала.

Смотрите также

Связанные материалы

• Теллурид ртути, Теллурид кадмия, Теллурид цинка ртути.

Другие материалы для обнаружения инфракрасного излучения

• Антимонид индия, Арсенид индия, Селенид свинца, QWIP, QDIP.

Другой

• Инфракрасный, термография.

Рекомендации

Примечания

1. Шмидт; Хансен (1983). «Расчет концентрации собственных носителей в HgCdTe». Журнал прикладной физики. 54. Дои:10.1063/1.332153.
2. Хансен (1982). «Энергетическая щель в зависимости от состава сплава и температуры в HgCdTe». Журнал прикладной физики. 53. Дои:10.1063/1.330018.
3. Кинч (2005). «Время жизни миноритарного носителя в p-HgCdTe». Журнал электронных материалов. 34.
4. Редферн (2001). «Измерение длины диффузии в p-HgCdTe с использованием тока, индуцированного лазерным лучом». Журнал электронных материалов. 30.
5. Chen, C S; Лю, А Н; Солнце, G; Он, J L; Wei, X Q; Лю, М; Чжан, З. Г.; Человек, Би И (2006). «Анализ порога лазерного повреждения и морфологических изменений на поверхности кристалла HgCdTe». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика. 8: 88. Дои:10.1088/1464-4258/8/1/014.
6. http://www.arl.army.mil/arlreports/2009/ARL-TR-5033.pdf

Библиография

• Lawson, W. D .; Nielson, S .; Putley, E.H .; Янг, А. С. (1959). «Получение и свойства HgTe и смешанных кристаллов HgTe-CdTe». J. Phys. Chem. Твердые тела. 9: 325–329. Дои:10.1016/0022-3697(59)90110-6.. (Самая ранняя известная ссылка)
• Свойства узкозонных соединений на основе кадмия, Ред. П. Кэппер (INSPEC, IEE, Лондон, Великобритания, 1994) ISBN  0-85296-880-9
• Инфракрасные детекторы HgCdTe, П. Нортон, Обзор оптоэлектроники, т. 10 (3), 159–174 (2002) [1]
• Рогальский, А (2005). «Материал инфракрасного детектора HgCdTe: история, состояние и перспективы». Отчеты о достижениях физики. 68 (10): 2267. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 68/10 / R01.
• Чен, А Б; Лай-Сюй, Й М; Кришнамурти, S; Бердинг М.А. (1990). «Зонные структуры сплавов и сверхрешеток HgCdTe и HgZnTe». Полупроводниковая наука и технологии. 5 (3S): S100. Дои:10.1088 / 0268-1242 / 5 / 3S / 021.
• Finkman, E .; Немировский, Ю. (1979). «Инфракрасное оптическое поглощение Hg_1-xCd_xTe». J. Appl. Phys. 50: 4356. Дои:10.1063/1.326421..
• Finkman, E .; Шахам, С. Э. (1984). «Экспоненциальный хвост полосы оптического поглощения Hg1-xCdxTe». Журнал прикладной физики. 56 (10): 2896. Дои:10.1063/1.333828.
• Боуэн, Гэвин Дж. (2005). «HOTEYE: новая тепловизионная камера, использующая инфракрасные детекторы с более высокой рабочей температурой». 5783: 392. Дои:10.1117/12.603305. .
• Полупроводниковые квантовые ямы и сверхрешетки для длинноволновых инфракрасных детекторов М.О. Манасрех, редактор (Artech House, Норвуд, Массачусетс), ISBN  0-89006-603-5 (1993).
• Холл, Дональд Н. Б.; Аткинсон, Дэни (2012). Работа первых массивов HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе. Bibcode:2012SPIE.8453E..0WH. Дои:10.1117/12.927226.
• Холл, Дональд Н. Б.; Аткинсон, Дэни; Бланк, Ричард (2016). Производительность первого научного класса lambda_c = 2,5 мкм HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе. Bibcode:2016SPIE.9915E..0WH. Дои:10.1117/12.2234369.

внешняя ссылка

• Национальный реестр загрязнителей - Информационный бюллетень по ртути и соединениям
• Korea i3system в Тэджоне