Tellurek rtęciowo-kadmowy - Mercury cadmium telluride

Hg 1-X Cd x Te lub tellurku kadmu i rtęci (także rtęć tellurku kadmu , MCT , MerCad Telluride , MerCadTel , mercat i CMT ) jest związkiem chemicznym z tellurku kadmu (CdTe) i tellurku rtęci (HgTe) z strojony pasmo wzbronione Spanning podczerwień od krótkiej do bardzo długich fal podczerwonych. Ilość kadmu (Cd) w stopie można dobrać tak, aby dostroić absorpcję optyczną materiału do pożądanej długości fali podczerwieni . CdTe to półprzewodnik z przerwą wzbronioną około 1,5  elektronowoltów (eV) w temperaturze pokojowej. HgTe jest półmetalem , co oznacza, że ​​jego energia pasma zabronionego wynosi zero. Zmieszanie tych dwóch substancji pozwala na uzyskanie dowolnego pasma wzbronionego od 0 do 1,5 eV.

Luka energetyczna w funkcji składu kadmu.

Nieruchomości

Fizyczny

Komórka elementarna z blendą cynkową

Hg 1-x Cd x Te ma strukturę blendy cynkowej z dwiema wzajemnie przenikającymi się sześciennymi sieciami sześciennymi, przesuniętymi o (1/4,1/4,1/4) ao w prymitywnej komórce. Kationy Cd są statystycznie wymieszane Hg na żółtej podsieci, podczas gdy aniony Te tworzą na zdjęciu szarą podsieć.

Elektroniczny

Ruchliwość z HgCdTe o dużej zawartości Hg jest bardzo wysoka. Spośród powszechnie stosowanych półprzewodników do detekcji w podczerwieni tylko InSb i InAs przewyższają ruchliwość elektronów HgCdTe w temperaturze pokojowej. W temperaturze 80 K ruchliwość elektronów Hg 0,8 Cd 0,2 Te może wynosić kilkaset tysięcy cm 2 /(V·s). W tej temperaturze elektrony mają również dużą długość balistyczną; ich średnia swobodna droga może wynosić kilka mikrometrów.

Wewnętrzne stężenie nośnika jest podane przez given

gdzie k to stała Boltzmanna, q to elementarny ładunek elektryczny, t to temperatura materiału, x to procent stężenia kadmu, a E g to przerwa wzbroniona wyrażona wzorem

HgCdTe Przerwa wzbroniona w elektronowoltach jako funkcja składu x i temperatury
Długość fali odcięcia HgCdTe w µm jako funkcja składu x i temperatury.
Związek między pasmem wzbronionym a długością fali odcięcia

Używając zależności , gdzie λ jest w µm i E g . jest w elektronowoltach, można również obliczyć długość fali odcięcia w funkcji x i t :

Żywotność przewoźnika mniejszościowego

Rekombinacja ślimaka

Na HgCdTe wpływają dwa rodzaje rekombinacji przenośnika ślimakowego: rekombinacja ślimaka 1 i 7. Rekombinacja Auger 1 obejmuje dwa elektrony i jedną dziurę, gdzie elektron i dziura łączą się, a pozostały elektron otrzymuje energię równą lub większą niż pasmo zabronione. Rekombinacja Auger 7 jest podobna do Auger 1, ale obejmuje jeden elektron i dwie dziury.

Żywotność nośnika mniejszościowego Auger 1 dla samoistnego (niedomieszkowanego) HgCdTe jest wyrażona wzorem

gdzie FF jest całką pokrycia (około 0,221).

Żywotność nośnika mniejszościowego Auger 1 dla domieszkowanego HgCdTe jest wyrażona wzorem

gdzie n jest równowagowym stężeniem elektronów.

Żywotność przenośnika mniejszościowego przenośnika ślimakowego 7 dla samoistnego HgCdTe jest około 10 razy dłuższa niż żywotność przenośnika mniejszościowego przenośnika ślimakowego 1:

Żywotność nośnika mniejszościowego Auger 7 dla domieszkowanego HgCdTe jest wyrażona wzorem

Całkowity udział rekombinacji przenośnika ślimakowego 1 i ślimaka 7 w czas życia nośnika mniejszościowego oblicza się jako

Mechaniczny

HgCdTe jest miękkim materiałem ze względu na słabe wiązania Hg z tellurem. Jest to bardziej miękki materiał niż jakikolwiek zwykły półprzewodnik III-V. Twardość Mohsa HgTe wynosi 1,9, CdTe 2,9, a Hg 0,5 Cd 0,5 Te 4. Twardość soli ołowiu jest jeszcze niższa.

Termiczny

Przewodność cieplna HgCdTe jest niska; przy niskich stężeniach kadmu wynosi zaledwie 0,2 W·K -1 m -1 . Oznacza to, że nie nadaje się do urządzeń o dużej mocy. Chociaż diody emitujące światło podczerwone i lasery zostały wykonane z HgCdTe, muszą być używane na zimno, aby były wydajne. Pojemność ciepła właściwego wynosi 150 J · kg -1 K -1 .

Optyczny

HgCdTe jest przezroczyste w podczerwieni przy energiach fotonów poniżej przerwy energetycznej. Współczynnik załamania światła jest wysoki, osiągając prawie 4 dla HgCdTe o wysokiej zawartości Hg.

Wykrywanie w podczerwieni

HgCdTe jest jedynym powszechnym materiałem, który może wykryć promieniowanie podczerwone w obu dostępnych oknach atmosferycznych . Są to od 3 do 5 µm (okno podczerwieni średniofalowej , w skrócie MWIR ) i od 8 do 12 µm (okno długofalowe , LWIR ). Detekcję w oknach MWIR i LWIR uzyskuje się stosując odpowiednio 30% [(Hg 0,7 Cd 0,3 )Te] i 20% [(Hg 0,8 Cd 0,2 )Te] kadmu. HgCdTe może również wykrywać w oknach atmosferycznych SWIR krótkofalowej podczerwieni od 2,2 do 2,4 µm i od 1,5 do 1,8 µm.

HgCdTe jest powszechnym materiałem w fotodetektorach spektrometrów podczerwieni z transformacją Fouriera . Wynika to z dużego zakresu widmowego detektorów HgCdTe, a także wysokiej wydajności kwantowej. Znajduje się również w badaniach wojskowych, teledetekcji i astronomii w podczerwieni . Technologia wojskowa polegała na HgCdTe do widzenia w nocy . W szczególności siły powietrzne USA intensywnie wykorzystują HgCdTe we wszystkich samolotach i wyposażają w samoloty inteligentne bomby . Różne pociski naprowadzające na ciepło są również wyposażone w detektory HgCdTe. Układy detektorów HgCdTe można również znaleźć w większości głównych teleskopów badawczych na świecie, w tym w kilku satelitach. Wiele detektorów HgCdTe (takich jak detektory Hawaii i NICMOS ) nosi nazwy obserwatoriów astronomicznych lub instrumentów, dla których zostały pierwotnie opracowane.

Głównym ograniczeniem detektorów LWIR opartych na HgCdTe jest to, że wymagają one chłodzenia do temperatury bliskiej temperaturze ciekłego azotu (77K), aby zredukować szumy spowodowane termicznie wzbudzonymi nośnikami prądu (patrz chłodzona kamera termowizyjna ). Kamery MWIR HgCdTe mogą pracować w temperaturach dostępnych dla chłodziarek termoelektrycznych z niewielkim spadkiem wydajności. Dlatego detektory HgCdTe są stosunkowo ciężkie w porównaniu do bolometrów i wymagają konserwacji. Z drugiej strony, HgCdTe cieszy się znacznie większą szybkością wykrywania (liczba klatek na sekundę) i jest znacznie bardziej czuła niż niektórzy z jego bardziej ekonomicznych konkurentów.

HgCdTe może być stosowany jako detektor heterodynowy , w którym wykrywane są zakłócenia między lokalnym źródłem a odwróconym światłem lasera. W tym przypadku może to wykryć źródeł, takich jak CO 2 laserów. W trybie wykrywania heterodyn HgCdTe może być chłodzone, chociaż większą czułość uzyskuje się przez chłodzenie. Można stosować fotodiody, fotoprzewodniki lub tryby fotoelektromagnetyczne (PEM). Za pomocą detektorów fotodiodowych można osiągnąć szerokość pasma znacznie przekraczającą 1 GHz.

Głównymi konkurentami HgCdTe są mniej czułe bolometry na bazie Si (patrz niechłodzona kamera na podczerwień ), InSb i nadprzewodnikowe złącza tunelowe zliczające fotony (STJ). Inną możliwą alternatywą są fotodetektory na podczerwień ze studnią kwantową (QWIP), wykonane z materiałów półprzewodnikowych III-V, takich jak GaAs i AlGaAs , chociaż ich teoretyczne granice wydajności są gorsze niż w przypadku macierzy HgCdTe w porównywalnych temperaturach i wymagają zastosowania skomplikowanych siatek odbiciowych/dyfrakcyjnych aby przezwyciężyć pewne efekty wykluczenia polaryzacji, które wpływają na odpowiedź matrycy . W przyszłości podstawowym konkurentem detektorów HgCdTe może pojawić się w postaci kropki kwantowe podczerwieni fotodetektorów (QDIP), albo na podstawie koloidalnej lub typu II supersieci struktury. Unikalne trójwymiarowe efekty kwantowego ograniczenia w połączeniu z jednobiegunową ( nieopartą na ekscytonie fotoelektryczną ) naturą kropek kwantowych mogą umożliwić porównywalną wydajność do HgCdTe w znacznie wyższych temperaturach roboczych . Wstępne prace laboratoryjne przyniosły obiecujące wyniki w tym zakresie, a QDIP mogą być jednymi z pierwszych znaczących produktów nanotechnologicznych , jakie się pojawią.

W HgCdTe detekcja następuje, gdy foton podczerwieni o wystarczającej energii wyrzuca elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa . Taki elektron jest zbierany przez odpowiednie zewnętrzne układy scalone odczytowe (ROIC) i przekształcany na sygnał elektryczny. Fizyczne dopasowanie matrycy detektorów HgCdTe do ROIC jest często określane jako „ matryca płaszczyzny ogniskowej ”.

Natomiast w bolometrze światło nagrzewa maleńki kawałek materiału. Zmiana temperatury bolometru powoduje zmianę rezystancji, która jest mierzona i przetwarzana na sygnał elektryczny.

Tellurek rtęciowo-cynkowy ma lepszą stabilność chemiczną, termiczną i mechaniczną niż HgCdTe. Ma bardziej stromą zmianę przerwy energetycznej ze składem rtęci niż HgCdTe, co utrudnia kontrolę składu.

Techniki wzrostu HgCdTe

Masowy wzrost kryształów

Pierwszą metodą wzrostu na dużą skalę była rekrystalizacja w masie ciekłego stopu. Była to główna metoda wzrostu od końca lat pięćdziesiątych do początku lat siedemdziesiątych.

Wzrost epitaksjalny

Wysoce czysty i krystaliczny HgCdTe jest wytwarzany przez epitaksję na podłożach CdTe lub CdZnTe . CdZnTe jest półprzewodnikiem złożonym , którego parametr sieci można dokładnie dopasować do parametru HgCdTe. Eliminuje to większość defektów z naskórka HgCdTe. CdTe został opracowany jako alternatywne podłoże w latach 90-tych. Nie jest dopasowany do sieci HgCdTe, ale jest znacznie tańszy, ponieważ można go hodować metodą epitaksji na podłożach krzemowych (Si) lub germanowych (Ge).

Epitaksja w fazie ciekłej (LPE), w której podłoże CdZnTe jest obniżane i wiruje na powierzchni wolno schładzającej się ciekłej stopionej HgCdTe. Daje to najlepsze wyniki pod względem jakości krystalicznej i nadal jest często wybieraną techniką w produkcji przemysłowej.

W ostatnich latach epitaksja z wiązek molekularnych (MBE) stała się powszechna ze względu na jej zdolność do układania warstw stopów o różnym składzie. Pozwala to na jednoczesną detekcję na kilku długościach fal. Ponadto MBE, a także MOVPE , umożliwiają wzrost na podłożach o dużej powierzchni, takich jak CdTe na Si lub Ge, podczas gdy LPE nie pozwala na stosowanie takich podłoży.

Toksyczność

Postęp technologii wzrostu kryształów postępował celowo i systematycznie przez cztery dekady, pomimo wysokiej prężności par Hg w temperaturze topnienia HgCdTe i znanej toksyczności materiału.

Zobacz też

Powiązane materiały

Inne materiały do ​​wykrywania podczerwieni

Inny

Bibliografia

Uwagi
Bibliografia
  • Lawson, WD; Nielson S.; Putley, EH; Młody, AS (1959). „Preparat i właściwości HgTe i mieszanych kryształów HgTe-CdTe”. J. Fiz. Chem. Ciała stałe . 9 : 325–329. doi : 10.1016/0022-3697(59)90110-6 .. (Najwcześniejsze znane odniesienie)
  • Właściwości związków na bazie kadmu z wąską szczeliną , wyd. P. Capper (INSPEC, IEE, Londyn, Wielka Brytania, 1994) ISBN  0-85296-880-9
  • Detektory podczerwieni HgCdTe , P. Norton, Opto-Electronics Review tom. 10(3), 159-174 (2002) [1]
  • Rogalski, A (2005). „Materiał detektora podczerwieni HgCdTe: historia, stan i perspektywy”. Raporty o postępach w fizyce . 68 (10): 2267. doi : 10.1088/0034-4885/68/10/R01 .
  • Chen, AB; Lai-Hsu, YM; Krishnamurthy, S; Berding, mgr (1990). „Struktury pasmowe stopów i supersieci HgCdTe i HgZnTe”. Nauka i technologia półprzewodników . 5 (3S): S100. doi : 10.1088/0268-1242/5/3S/021 .
  • Finkman, E.; Niemirowski, Y. (1979). „Absorbcja optyczna w podczerwieni Hg_1-xCd_xTe”. J. Appl. Fiz . 50 : 4356. doi : 10.1063/1.326421 ..
  • Finkman, E.; Schacham, SE (1984). „Wykładniczy ogon pasma absorpcji optycznej Hg1-xCdxTe”. Czasopismo Fizyki Stosowanej . 56 (10): 2896. doi : 10.1063/1.333828 .
  • Bowen, Gavin J. (2005). „HOTEYE: nowatorska kamera termowizyjna wykorzystująca detektory podczerwieni o wyższej temperaturze roboczej”. 5783 : 392. doi : 10.1117/12.603305 . Cytowanie dziennika wymaga |journal=( pomoc ) .
  • Półprzewodnikowe studnie kwantowe i supersieci dla długofalowych detektorów podczerwieni MO Manasreh, redaktor (Artech House, Norwood, MA), ISBN  0-89006-603-5 (1993).
  • Hall, Donald NB; Atkinson, Dani (2012). Wykonanie pierwszych tablic HAWAII 4RG-15 w laboratorium i przy teleskopie . Kod bib : 2012SPIE.8453E..0WH . doi : 10.1117/12.927226 .
  • Hall, Donald NB; Atkinsona, Daniego; Puste, Richard (2016). Wykonanie pierwszej klasy naukowej lambda_c=2,5 mum HAWAII 4RG-15 w laboratorium i na teleskopie . Kod bib : 2016SPIE.9915E..0WH . doi : 10.1117/12.2234369 .

Linki zewnętrzne