Введение

Сплав Hg1−xCdxTe или телурид ртути-кадмия (также телурид кадмия-ртути, MCT, MerCad Telluride, MerCadTel, MerCaT или CMT) – химическое соединение телурида кадмия (CdTe) и телурида ртути (HgTe) с регулируемой шириной запрещенной зоны, охватывающей диапазон от коротковолновой до очень длинноволновой инфракрасной области. Содержание кадмия (Cd) в сплаве можно выбирать таким образом, чтобы настроить оптическое поглощение материала для заданной длины волны инфракрасного излучения. CdTe является полупроводником с шириной запрещенной зоны приблизительно 1,5 электронвольта (eV) при комнатной температуре. HgTe – полуметалл, что означает, что его энергия запрещенной зоны равна нулю. Смешивание этих двух веществ позволяет получить любую ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0 до 1,5 eV.

Физическое

Hg1−xCdxTe имеет структуру типа цинкбленда с двумя взаимно проникающими гранецентрированными кубическими решетками, сдвинутыми на (1/4, 1/4, 1/4)ao относительно друг друга в элементарной ячейке. Катионы Cd и Hg статистически распределены по желтой подрешетке, а анионы Te образуют серую подрешетку, как показано на рисунке.

Механические

HgCdTe – мягкий материал из-за слабых связей, которые ртуть образует с теллуром. Он мягче, чем любой распространенный полупроводник III–V. Твердость по шкале Мооса для HgTe составляет 1,9, для CdTe – 2,9, а для Hg0,5Cd0,5Te – 4. Твердость солей свинца еще ниже.

Тепловой

Теплопроводность HgCdTe низкая; при низких концентрациях кадмия она может достигать 0,2 Вт·К−1·м−1. Это означает, что он непригоден для мощных устройств. Несмотря на то, что инфракрасные светодиоды и лазеры изготавливаются из HgCdTe, для обеспечения эффективности их необходимо охлаждать. Удельная теплоемкость составляет 150 Дж·кг−1·К−1.

Оптические

HgCdTe прозрачен в инфракрасном диапазоне при энергиях фотонов, меньших ширины запрещенной зоны. Показатель преломления высок, достигая почти 4 для HgCdTe с высоким содержанием ртути.

Инфракрасное обнаружение

HgCdTe – единственный широко используемый материал, способный детектировать инфракрасное излучение в обоих доступных атмосферных окнах. Это диапазоны от 3 до 5 мкм (средневолновое инфракрасное окно, MWIR) и от 8 до 12 мкм (длинноволновое инфракрасное окно, LWIR). Детектирование в окнах MWIR и LWIR достигается при использовании 30% [(Hg0.7Cd0.3)Te] и 20% [(Hg0.8Cd0.2)Te] кадмия соответственно. HgCdTe также может детектировать в коротковолновых инфракрасных (SWIR) атмосферных окнах 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, благодаря широкому спектральному диапазону детекторов HgCdTe и высокой квантовой эффективности. Он также находит применение в военной технике, дистанционном зондировании и исследованиях в области инфракрасной астрономии. Военные технологии полагаются на HgCdTe для обеспечения ночного видения. В частности, ВВС США активно используют HgCdTe на всех самолетах и для оснащения высокоточных авиационных бомб. Различные самонаводящиеся ракеты также оснащаются детекторами HgCdTe. Массивы детекторов HgCdTe можно встретить на большинстве крупных исследовательских телескопов мира, включая несколько спутников. Многие детекторы HgCdTe (например, детекторы Hawaii и NICMOS) названы в честь астрономических обсерваторий или инструментов, для которых они были первоначально разработаны. Основным ограничением детекторов LWIR на основе HgCdTe является необходимость охлаждения до температур, близких к температуре жидкого азота (77 K), для снижения шума, вызванного термически возбужденными носителями заряда (см. охлаждаемую инфракрасную камеру). Камеры MWIR на основе HgCdTe могут работать при температурах, доступных для термоэлектрических охладителей, с незначительным снижением производительности. Следовательно, детекторы HgCdTe относительно тяжелы по сравнению с болометрами и требуют обслуживания. С другой стороны, HgCdTe обладает значительно более высокой скоростью детектирования (частотой кадров) и существенно большей чувствительностью, чем некоторые из его более экономичных конкурентов. HgCdTe может использоваться в качестве гетеродинового детектора, в котором обнаруживается интерференция между локальным источником и отраженным лазерным излучением. В этом случае он может детектировать источники, такие как лазеры на CO2. В режиме гетеродинового детектирования HgCdTe может работать без охлаждения, хотя большая чувствительность достигается при охлаждении. 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 кремния (см. неохлаждаемую инфракрасную камеру), InSb и фотоновые сверхпроводящие туннельные переходы (STJ). Квантовые инфракрасные фотодетекторы (QWIP), изготовленные из полупроводниковых материалов III-V, таких как GaAs и AlGaAs, являются еще одной возможной альтернативой, хотя их теоретические пределы производительности ниже, чем у массивов HgCdTe при сопоставимых температурах, и они требуют использования сложных дифракционных решеток для преодоления определенных эффектов поляризационного исключения, влияющих на отклик массива. В будущем основным конкурентом детекторов HgCdTe могут стать инфракрасные фотодетекторы с квантовыми точками (QDIP), основанные на коллоидной или сверхрешетчатой структуре типа II. Уникальные трехмерные квантовые эффекты локализации, в сочетании с однополярной (неэкзитонной) природой фотоэлектрического поведения 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. В HgCdTe детектирование происходит, когда инфракрасный фотон с достаточной энергией выбивает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Этот электрон собирается соответствующими внешними интегральными схемами считывания (ROIC) и преобразуется в электрический сигнал. Физическое соединение массива детекторов HgCdTe с ROIC часто называют "массивом фокальной плоскости". В отличие от этого, в болометре свет нагревает крошечный фрагмент материала. Изменение температуры болометра приводит к изменению сопротивления, которое измеряется и преобразуется в электрический сигнал. Теллурид ртути-цинка обладает лучшими химическими, термическими и механическими характеристиками стабильности, чем HgCdTe. Он имеет более крутое изменение ширины запрещенной зоны в зависимости от состава ртути, чем HgCdTe, что затрудняет контроль состава.

Растение кристаллов в большом количестве

Первым крупномасштабным методом выращивания кристаллов была массовая перекристаллизация жидкого расплава. Это был основной метод выращивания с конца 1950-х до начала 1970-х годов.

Эпитаксиальный рост

Высокочистый и кристаллический HgCdTe выращивают эпитаксией на подложках из CdTe или CdZnTe. CdZnTe – это полупроводниковый компаунд, параметр решетки которого может быть точно согласован с параметром решетки HgCdTe. Это устраняет большинство дефектов в эпитаксиальном слое HgCdTe. CdTe был разработан как альтернативная подложка в 90-х годах. Он не обладает точным соответствием решетки с HgCdTe, но значительно дешевле, так как может быть выращен эпитаксией на кремниевых (Si) или германиевых (Ge) подложках. Эпитаксия из жидкой фазы (LPE) заключается в опускании и вращении подложки CdZnTe над поверхностью медленно охлаждаемого жидкого расплава HgCdTe. Этот метод обеспечивает наилучшее качество кристаллической структуры и до сих пор широко используется в промышленном производстве. В последние годы молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) получила широкое распространение благодаря возможности создания многослойных структур с различным составом сплава. Это позволяет одновременное детектирование на нескольких длинах волн. Кроме того, MBE, а также MOVPE позволяют выращивать на подложках большой площади, таких как CdTe на Si или Ge, в то время как LPE не позволяет использовать такие подложки.

Токсичность

Теллурид ртути-кадмия известен как токсичный материал, с дополнительной опасностью, связанной с высоким давлением паров ртути при температуре плавления материала; несмотря на это, его продолжают разрабатывать и применять в различных областях.

Связанные материалы

Теллурид ртути, теллурид кадмия, теллурид ртути-цинка.

Другое

Инфракрасный, термография.