Rtuť kadmium telurid - Mercury cadmium telluride

Hg _{1 − x} Cd _x Te nebo rtuť telurid kademnatý (také rtuť telurid kademnatý , MCT , MerCad Telluride , MerCadTel , MerCaT nebo CMT ) je chemická sloučenina teluridu kadmia (CdTe) a rtuť teluridu (HgTe) s laditelnou krátkovlnné infračervené záření do velmi dlouhých vlnových infračervených oblastí. Množství kadmia (Cd) ve slitině lze zvolit tak, aby se naladila optická absorpce materiálu na požadovanou infračervenou vlnovou délku . CdTe je polovodič s pásmovým odstupem přibližně 1,5 elektronvoltu (eV) při pokojové teplotě. HgTe je polokovů , což znamená, že její bandgap energie je nulová. Smíchání těchto dvou látek umožňuje jedné získat jakoukoli mezeru mezi 0 a 1,5 eV.

Energetická mezera jako funkce složení kadmia.

Vlastnosti

Fyzický

Jednotková buňka zinku

Hg _1-x Cd _x Te má zincblende strukturu se dvěma prostupujících krychlové mřížky plošně centrované kompenzováno (1 / 4,1 / 4,1 / 4) _o v primitivní buňky. Kationty Cd jsou Hg statisticky smíchány na žluté sublattice, zatímco Te aniony tvoří na obrázku šedou sublattice.

Elektronický

Pohyblivost elektronu z HgCdTe s velkým obsahem Hg je velmi vysoká. Mezi běžnými polovodiči používanými pro infračervenou detekci předčí pouze InSb a InAs elektronovou mobilitu HgCdTe při pokojové teplotě. Při 80 K může být pohyblivost elektronů Hg _0,8 Cd _0,2 Te několik stovek tisíc cm ² / (V · s). Elektrony mají při této teplotě také dlouhou balistickou délku; jejich střední volná dráha může být několik mikrometrů.

Koncentrace vnitřního nosiče je dána vztahem

${\ displaystyle n_ {i} (t, x) = (5,585-3,82x + (1,753 \ cdot 10 ^ {- 3}) t-1,364 \ cdot 10 ^ {- 3} t \ cdot x) \ cdot 10 ^ { 14} \ cdot E_ {g} (t, x) ^ {0,75} \ cdot t ^ {1,5} \ cdot e ^ {\ frac {-E_ {g} (t, x) \ cdot q} {2 \ cdot k \ cdot t}}}$

kde k je Boltzmannova konstanta, q je základní elektrický náboj, t je teplota materiálu, x je procento koncentrace kadmia a E _g je pásmová propustnost daná

HgCdTe Bandgap v elektronvoltech jako funkce x složení a teploty

HgCdTe mezní vlnová délka v µm jako funkce x složení a teploty.

Vztah mezi bandgap a cutoff vlnovou délkou

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

Pomocí vztahu , kde λ je v µm a E _g . je v elektronvoltů, lze také získat mezní vlnovou délku jako funkce x a t : ${\ displaystyle \ lambda _ {p} = {\ frac {1.24} {E_ {g}}}}$

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

Životnost menšinového dopravce

Šneková rekombinace

Na HgCdTe mají vliv dva typy rekombinace Augeru: rekombinace Augeru 1 a Augeru 7. Rekombinace šneku 1 zahrnuje dva elektrony a jednu díru, kde se elektron a díra kombinují a zbývající elektron přijímá energii rovnou nebo větší než mezera pásma. Rekombinace Augeru 7 je podobná Augeru 1, ale zahrnuje jeden elektron a dvě díry.

Životnost minoritního nosiče Auger 1 pro vnitřní (nedopovaný) HgCdTe je dána vztahem

${\ displaystyle \ tau _ {Auger1} (t, x) = {\ frac {2.12 \ cdot 10 ^ {- 14} \ cdot {\ sqrt {E_ {g} (t, x)}} \ cdot e ^ { \ frac {q \ cdot E_ {g} (t, x)} {k \ cdot t}}} {FF ^ {2} \ cdot ({\ frac {k \ cdot t} {q}}) ^ {1,5 }}}}$

kde FF je integrál překrytí (přibližně 0,221).

Životnost minoritního nosiče Auger 1 pro dopovaný HgCdTe je dána vztahem

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

kde n je rovnovážná koncentrace elektronů.

Životnost minoritního nosiče Auger 7 pro vnitřní HgCdTe je přibližně 10krát delší než životnost minoritního nosiče Auger 1:

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

Životnost minoritního nosiče Auger 7 pro dopovaný HgCdTe je dána vztahem

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

Celkový příspěvek rekombinace Augeru 1 a Augeru 7 k životnosti menšinového nosiče se počítá jako

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

Mechanické

HgCdTe je měkký materiál díky slabým vazbám, které Hg tvoří s telurem. Je to měkčí materiál než kterýkoli běžný polovodič III-V. Mohsova tvrdost HgTe je 1,9, CdTe je 2,9 a Hg _0,5 Cd _0,5 Te je 4. Tvrdost solí olova je stále ještě nižší.

Tepelný

Tepelná vodivost z HgCdTe je nízká; při nízkých koncentracích kadmia je to jen 0,2 W · K ⁻¹ m ⁻¹ . To znamená, že je nevhodný pro zařízení s vysokým výkonem. Přestože infračervené světelné diody a lasery byly vyrobeny v HgCdTe, musí být provozovány za studena, aby byly účinné. Měrná tepelná kapacita je 150 J · kg ^-1 K ^-1 .

Optický

HgCdTe je v infračervené oblasti transparentní při fotonových energiích pod energetickou mezerou. Index lomu je vysoká, dosahuje téměř 4 pro HgCdTe s vysokým obsahem Hg.

Infračervená detekce

HgCdTe je jediný běžný materiál, který dokáže detekovat infračervené záření v obou přístupných atmosférických oknech . Ty jsou od 3 do 5 µm (infračervené okno se středními vlnami, zkráceně MWIR ) a od 8 do 12 µm (okno s dlouhými vlnami, LWIR ). Detekce v oknech MWIR a LWIR se získá za použití 30% [(Hg _0,7 Cd _0,3 ) Te] a 20% [(Hg _0,8 Cd _0,2 ) Te] kadmia. HgCdTe může také detekovat v krátkovlnných infračervených SWIR atmosférických oknech 2,2 až 2,4 µm a 1,5 až 1,8 µm.

HgCdTe je běžný materiál ve fotodetektorech infračervených spektrometrů s Fourierovou transformací . Důvodem je velký spektrální rozsah detektorů HgCdTe a také vysoká kvantová účinnost. To je také nalezené ve vojenském poli, dálkový průzkum Země a infračervený astronomický výzkum. Vojenská technologie závisela na HgCdTe pro noční vidění . Zejména americké letectvo hojně využívá HgCdTe na všech letadlech a pro vybavení palubních inteligentních bomb . Detektory HgCdTe jsou také vybaveny různými střelami hledajícími teplo. Detekční pole HgCdTe lze nalézt také na většině hlavních světových výzkumných dalekohledů včetně několika satelitů. Mnoho detektorů HgCdTe (například detektory Hawaii a NICMOS ) je pojmenováno podle astronomických observatoří nebo přístrojů, pro které byly původně vyvinuty.

Hlavní omezení detektorů založených na LWIR HgCdTe spočívá v tom, že potřebují chlazení na teploty blízké teplotě kapalného dusíku (77 K), aby se snížil šum způsobený tepelně excitovanými nosiči proudu (viz chlazená infračervená kamera ). Kamery MWIR HgCdTe lze provozovat při teplotách přístupných k termoelektrickým chladičům s malým výkonnostním trestem. Detektory HgCdTe jsou tedy ve srovnání s bolometry relativně těžké a vyžadují údržbu. Na druhou stranu má HgCdTe mnohem vyšší rychlost detekce (snímkovou frekvenci) a je výrazně citlivější než někteří z jejích ekonomičtějších konkurentů.

HgCdTe lze použít jako heterodynový detektor, ve kterém je detekována interference mezi místním zdrojem a vráceným laserovým světlem. V tomto případě dokáže detekovat zdroje, jako jsou CO ₂ lasery. V režimu detekce heterodynu může být HgCdTe nechlazený, i když větší citlivosti je dosaženo chlazením. Lze použít fotodiody, fotovodiče nebo fotoelektromagnetické režimy (PEM). Šířku pásma přesahující 1 GHz lze dosáhnout pomocí fotodiodových detektorů.

Hlavními konkurenty HgCdTe jsou méně citlivé bolometry na bázi Si (viz nechlazená infračervená kamera ), InSb a supravodivá pole pro počítání fotonů (STJ). Kvantové infračervené fotodetektory (QWIP) vyrobené z polovodičových materiálů III-V, jako jsou GaAs a AlGaAs , jsou další možnou alternativou, i když jejich teoretické výkonnostní limity jsou nižší než pole HgCdTe při srovnatelných teplotách a vyžadují použití komplikovaných odrazových / difrakčních mřížek překonat určité účinky vyloučení polarizace, které mají vliv na odezvu pole . V budoucnu se primární konkurence detektorů HgCdTe může objevit ve formě kvantových teček infračervených fotodetektorů (QDIP), založených buď na koloidní struktuře nebo superlattické struktuře typu II . Unikátní 3-D kvantové omezovači efekty, v kombinaci s unipolární (non excitonu na bázi fotoelektrický chování) povahy kvantových teček by mohla umožnit srovnatelný výkon k HgCdTe na podstatně vyšší provozní teploty . Počáteční laboratorní práce v tomto ohledu ukázala slibné výsledky a QDIP mohou být jedním z prvních významných nanotechnologických produktů, které se objevily.

V HgCdTe detekce nastane, když infračervený foton s dostatečnou energií nakopne elektron z valenčního pásma do vodivého pásma . Takový elektron je shromažďován vhodnými externími odečítanými integrovanými obvody (ROIC) a transformován na elektrický signál. Fyzické párování pole detektorů HgCdTe s ROIC se často označuje jako „ pole ohniskové roviny “.

Naproti tomu v bolometru světlo ohřívá malý kousek materiálu. Změna teploty bolometru vede ke změně odporu, který se měří a transformuje na elektrický signál.

Rtuť zinek telurid má lepší vlastnosti chemické, tepelné a mechanické stability než HgCdTe. Má strmější změnu energetické mezery se složením rtuti než HgCdTe, což ztěžuje kontrolu složení.

Techniky růstu HgCdTe

Hromadný růst krystalů

První metodou růstu ve velkém měřítku byla hromadná rekrystalizace kapalné taveniny. Toto byla hlavní metoda růstu od konce 50. do začátku 70. let.

Epitaxní růst

Vysoce čistý a krystalický HgCdTe je vyrobena epitaxe buď na CdTe nebo CdZnTe substrátů. CdZnTe je složený polovodič , jehož mřížkový parametr lze přesně shodovat s parametrem HgCdTe. Tím se eliminuje většina defektů z epilayeru HgCdTe. CdTe byl vyvinut jako alternativní substrát v 90. letech. Není mřížkově přizpůsoben HgCdTe, ale je mnohem levnější, protože může být pěstován epitaxí na křemíkových (Si) nebo germániových (Ge) substrátech.

Epitaxe v kapalné fázi (LPE), ve které je substrát CdZnTe spuštěn a točí se nad povrchem pomalu chladné kapalné taveniny HgCdTe. To dává nejlepší výsledky z hlediska krystalické kvality a je stále běžnou technikou volby pro průmyslovou výrobu.

V posledních letech se rozšířila epitaxe molekulárního paprsku (MBE) díky své schopnosti skládat vrstvy s různým složením slitiny. To umožňuje současnou detekci na několika vlnových délkách. Kromě toho MBE a také MOVPE umožňují růst na velkoplošných substrátech, jako je CdTe na Si nebo Ge, zatímco LPE neumožňuje použití těchto substrátů.

Toxicita

Pokrok technologie růstu krystalů postupoval záměrně a stabilně po čtyři desetiletí navzdory vysokému tlaku par Hg při teplotě tání HgCdTe a známé toxicitě materiálu.

Viz také

Reference

Poznámky

Bibliografie

Lawson, WD; Nielson, S .; Putley, EH; Young, AS (1959). "Příprava a vlastnosti HgTe a směsných krystalů HgTe-CdTe". J. Phys. Chem. Pevné látky . 9 : 325–329. doi : 10.1016 / 0022-3697 (59) 90110-6 .. (Nejdříve známá reference)
Vlastnosti sloučenin na bázi kadmia s úzkou mezerou , vyd. P. Capper (INSPEC, IEE, London, UK, 1994) ISBN 0-85296-880-9
Infračervené detektory HgCdTe , P. Norton, Opto-Electronics Review vol. 10 (3), 159–174 (2002) [1]
Rogalski, A (2005). "Materiál infračerveného detektoru HgCdTe: historie, stav a výhled". Zprávy o pokroku ve fyzice . 68 (10): 2267. doi : 10.1088 / 0034-4885 / 68/10 / R01 .
Chen, AB; Lai-Hsu, YM; Krishnamurthy, S; Berding, MA (1990). "Pásové struktury slitin HgCdTe a HgZnTe a superlattices". Polovodičová věda a technologie . 5 (3S): S100. doi : 10.1088 / 0268-1242 / 5 / 3S / 021 .
Finkman, E .; Nemirovsky, Y. (1979). "Infračervená optická absorpce Hg_1-xCd_xTe". J. Appl. Phys . 50 : 4356. doi : 10,1063 / 1,326421 ..
Finkman, E .; Schacham, SE (1984). Msgstr "Okraj exponenciálního optického absorpčního pásma Hg1 - xCdxTe". Journal of Applied Physics . 56 (10): 2896. doi : 10,1063 / 1,333828 .
Bowen, Gavin J. (2005). "HOTEYE: nová termální kamera využívající infračervené detektory s vyšší provozní teplotou". 5783 : 392. doi : 10,1117 / 12,603305 . Citovat deník vyžaduje |journal=( pomoc ) .
Polovodičové kvantové jímky a superlattice pro infračervené detektory s dlouhou vlnovou délkou MO Manasreh, editor (Artech House, Norwood, MA), ISBN 0-89006-603-5 (1993).
Hall, Donald NB; Atkinson, Dani (2012). Výkon prvních polí HAWAII 4RG-15 v laboratoři a v dalekohledu . Bibcode : 2012SPIE.8453E..0WH . doi : 10,1117 / 12,927226 .
Hall, Donald NB; Atkinson, Dani; Blank, Richard (2016). Výkon prvního pole vědy lambda_c = 2,5 maminky HAWAII 4RG-15 v laboratoři a dalekohledu . Bibcode : 2016SPIE.9915E..0WH . doi : 10.1117 / 12.2234369 .

Languages

In other projects