Теллурид кадмия ртути

редактировать

Hg 1 − x Cd x Te или теллурид кадмия ртути (также теллурид кадмия и ртути, MCT, теллурид MerCad, MerCadTel, MerCaT или CMT) представляет собой химическое соединение теллурида кадмия (CdTe) и теллурида ртути (HgTe) с регулируемой шириной запрещенной зоны. от коротковолнового инфракрасного до очень длинноволнового инфракрасного диапазона. Количество кадмия (Cd) в сплаве можно выбрать так, чтобы настроить оптическое поглощение материала на желаемую длину волны инфракрасного излучения. CdTe - это полупроводник с шириной запрещенной зоны примерно 1,5 электронвольта (эВ) при комнатной температуре. HgTe - это полуметалл, а это означает, что его ширина запрещенной зоны 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.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Недвижимость
- 1.1 Физический
- 1.2 Электронный
  - 1.2.1 Срок службы миноритарных носителей
    - 1.2.1.1 Оже-рекомбинация
- 1.3 Механический
- 1.4 Тепловой
- 1.5 Оптический
2 Инфракрасное обнаружение
3 метода выращивания HgCdTe
- 3.1 Объемный рост кристаллов
- 3.2 Эпитаксиальный рост
4 Токсичность
5 См. Также
- 5.1 Сопутствующие материалы
- 5.2 Другие материалы для обнаружения инфракрасного излучения
- 5.3 Другое
6 Ссылки
7 Внешние ссылки

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 представляют собой Hg, статистически смешанные на желтой подрешетке, в то время как анионы Te образуют серую подрешетку на изображении.

Электронный

Подвижность электронов из HgCdTe с большим содержанием ртути 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 см ² / (В с). Электроны также имеют большую баллистическую длину при этой температуре; их длина свободного пробега может составлять несколько микрометров.

Собственная концентрация носителей определяется выражением

${\ displaystyle n_ {i} (t, x) = (5,585–3,82x + (1,753 \ cdot 10 ^ {- 3}) t-1,364 \ cdot 10 ^ {- 3} t \ cdot x) \ cdot 10 ^ { 14} \ cdot E_ {g} (t, x) ^ {0.75} \ cdot t ^ {1.5} \ cdot e ^ {\ frac {-E_ {g} (t, x) \ cdot q} {2 \ cdot k \ cdot t}}}$ ${\ displaystyle n_ {i} (t, x) = (5,585–3,82x + (1,753 \ cdot 10 ^ {- 3}) t-1,364 \ cdot 10 ^ {- 3} t \ cdot x) \ cdot 10 ^ { 14} \ cdot E_ {g} (t, x) ^ {0.75} \ cdot t ^ {1.5} \ cdot e ^ {\ frac {-E_ {g} (t, x) \ cdot q} {2 \ cdot k \ cdot t}}}$

где k - постоянная Больцмана, q - элементарный электрический заряд, t - температура материала, x - процент концентрации кадмия, а E g - ширина запрещенной зоны, определяемая формулой

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

Длина волны отсечки HgCdTe в мкм в зависимости от состава x и температуры. Связь между шириной запрещенной зоны и длиной волны отсечки

${\ displaystyle E_ {g} (t, x) = - 0,302 + 1,93 \ cdot x + (5,35 \ cdot 10 ^ {- 4}) \ cdot t \ cdot (1-2 \ cdot x) -0,81 \ cdot x ^ {2} +0,832 \ cdot x ^ {3}}$ $E _ {{g}} (t, x) = - 0,302 + 1,93 \ cdot x + (5,35 \ cdot 10 ^ {{- 4}}) \ cdot t \ cdot (1-2 \ cdot x) -0,81 \ cdot x ^ {{2}} + 0,832 \ cdot x ^ {{3}}$

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

${\ displaystyle \ lambda _ {p} = (- 0,244 + 1,556 \ cdot x + (4,31 \ cdot 10 ^ {- 4}) \ cdot t \ cdot (1-2 \ cdot x) -0,65 \ cdot x ^ {2 } +0.671 \ cdot x ^ {3}) ^ {- 1}}$ $\ lambda _ {{p}} = (- 0,244 + 1,556 \ cdot x + (4,31 \ cdot 10 ^ {{- 4}}) \ cdot t \ cdot (1-2 \ cdot x) -0,65 \ cdot x ^ { {2}} + 0,671 \ cdot x ^ {{3}}) ^ {{- 1}}$

Срок службы миноритарных носителей

Оже-рекомбинация

На HgCdTe влияют два типа оже-рекомбинации : оже-1 и оже-7-рекомбинация. 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 определяется выражением

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

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

Время жизни неосновных носителей Оже-1 для легированного HgCdTe равно

${\ displaystyle \ tau _ {Auger1_ {допированный}} (t, x, n) = {\ frac {2 \ cdot \ tau _ {Auger1 (t, x)}} {1 + ({\ frac {n} { п_ {я} (т, х)}}) ^ {2}}}}$ $\ tau _ {{Auger1 _ {{doped}}}} (t, x, n) = {\ frac {2 \ cdot \ tau _ {{Auger1 (t, x)}}}} {1 + ({\ frac { п} {п _ {{я}} (т, х)}}) ^ {{2}}}}$

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:

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

Время жизни неосновных носителей Оже-7 для легированного HgCdTe равно

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

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

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

Механический

HgCdTe - мягкий материал из-за слабых связей Hg с теллуром. Это более мягкий материал, чем любой обычный полупроводник III-V. Жесткость HgTe по Моосу составляет 1,9, CdTe - 2,9 и Hg 0,5, Cd 0,5 Te - 4. Жесткость солей свинца еще ниже.

Тепловой

Теплопроводность из HgCdTe низка; при низких концентрациях кадмия оно составляет всего 0,2 Вт К ^-1 м ^-1. Это означает, что он не подходит для устройств большой мощности. Хотя инфракрасные светоизлучающие диоды и лазеры были изготовлены из HgCdTe, они должны работать в холодном состоянии, чтобы быть эффективными. Мощности удельной теплоемкости составляет 150 Дж кг ^-1 К ^-1.

Оптический

HgCdTe прозрачен в инфракрасном диапазоне при энергиях фотонов ниже запрещенной зоны. Показатель преломления является высокой, достигая почти 4 для HgCdTe с высоким содержанием ртути.

Инфракрасное обнаружение

HgCdTe - единственный распространенный материал, который может обнаруживать инфракрасное излучение в обоих доступных атмосферных окнах. 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 0,7 Cd 0,3) Te] и 20% [(Hg 0,8 Cd 0,2) Te] кадмия соответственно. HgCdTe также может обнаруживать атмосферные окна в коротковолновом инфракрасном диапазоне SWIR от 2,2 до 2,4 мкм и от 1,5 до 1,8 мкм.

КРТ является распространенным материалом в фотодетекторах с преобразованием Фурье ИК - спектрометров. Это связано с большим спектральным диапазоном детекторов HgCdTe, а также высокой квантовой эффективностью. Он также используется в военной области, дистанционном зондировании и исследованиях инфракрасной астрономии. Военные технологии зависят от HgCdTe для ночного видения. В частности, ВВС США широко используют HgCdTe на всех самолетах и для оснащения бортовых умных бомб. Различные ракеты с тепловым наведением также оснащены детекторами HgCdTe. Матрицы детекторов HgCdTe также можно найти в большинстве крупных 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.

Основное ограничение LWIR детекторов на основе HgCdTe заключается в том, что им необходимо охлаждение до температур, близких к температуре жидкого азота (77 К), для уменьшения 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 тяжелы по сравнению с болометрами и требуют технического 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 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 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.

Основными конкурентами HgCdTe являются менее чувствительные болометры на основе Si (см. Неохлаждаемую инфракрасную камеру ), InSb и массивы сверхпроводящих туннельных переходов (STJ) для подсчета фотонов. Инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами (QWIP), изготовленные из полупроводниковых материалов III-V, таких как GaAs и AlGaAs, являются другой возможной альтернативой, хотя их теоретические пределы производительности уступают решеткам HgCdTe при сопоставимых температурах и требуют использования сложных отражательных / дифракционных решеток для преодоления определенных эффектов исключения поляризации, которые влияют на чувствительность массива. В будущем, основной конкурент детекторов HgCdTe может появляться в виде квантовой точки Инфракрасных фотоприемников (QDIP), либо на основе коллоидного или типа II сверхрешетки структуру. Уникальная 3-D квантовый конфайнмент эффекты, в сочетании с однополярной (не экситон на основе фотоэлектрического поведения) характер квантовых точек может позволить сравнимую производительность HgCdTe при значительно более высоких рабочих температурах. Первоначальная лабораторная работа дала многообещающие результаты в этом отношении, и QDIP могут стать одним из первых появившихся значительных продуктов в области нанотехнологий.

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

Напротив, в болометре свет нагревает крошечный кусок 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 изготавливается методом эпитаксии на подложках CdTe или CdZnTe. CdZnTe представляет собой сложный полупроводник, параметр решетки которого может быть точно подобен параметру 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 кремниевых (Si) или германиевых (Ge) подложках.

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 распространенным методом промышленного производства.

В последние годы молекулярно-лучевая эпитаксия (МБЭ) получила широкое распространение из-за ее 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 происходило сознательно и неуклонно в течение четырех десятилетий, несмотря на высокое давление паров Hg при температуре плавления HgCdTe и известную токсичность материала.

Смотрите также

Рекомендации

Заметки

Библиография

Лоусон, WD; Nielson, S.; Putley, EH; Янг, А.С. (1959). «Получение и свойства HgTe и смешанных кристаллов HgTe-CdTe». J. Phys. Chem. Твердые тела. 9: 325–329. DOI : 10.1016 / 0022-3697 (59) 90110-6. . (Самая ранняя известная ссылка)
Свойства узкозонных соединений на основе кадмия / Под 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. DOI : 10,1088 / 0034-4885 / 68/10 / R01.
Chen, AB; Лай-Сюй, Ю.М. Кришнамурти, S; Бердинг, М.А. (1990). «Зонные структуры сплавов и сверхрешеток HgCdTe и HgZnTe». Полупроводниковая наука и технология. 5 (3S): S100. DOI : 10.1088 / 0268-1242 / 5 / 3S / 021.
Финкман, Э.; Немировский, Ю. (1979). «Инфракрасное оптическое поглощение Hg_1-xCd_xTe». J. Appl. Phys. 50: 4356. DOI : 10,1063 / 1,326421. .
Финкман, Э.; Schacham, SE (1984). «Экспоненциальный хвост полосы оптического поглощения Hg1-xCdxTe». Журнал прикладной физики. 56 (10): 2896. DOI : 10,1063 / 1,333828.
Боуэн, Гэвин Дж. (2005). «HOTEYE: новая тепловизионная камера, использующая инфракрасные детекторы с более высокой рабочей температурой». 5783: 392. DOI : 10,1117 / 12,603305. Цитировать журнал требует |journal=( помощь ).
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 массивов HAWAII 4RG-15 в лаборатории и на телескопе. Bibcode : 2012SPIE.8453E..0WH. DOI : 10.1117 / 12.927226.
Холл, Дональд Н.Б.; Аткинсон, Дэни; Бланк, Ричард (2016). Производительность массива lambda_c = 2,5 мкм HAWAII 4RG-15 первого уровня науки в лаборатории и на телескопе. Bibcode : 2016SPIE.9915E..0WH. DOI : 10.1117 / 12.2234369.

Внешние ссылки