Введение

Химическое соединение

Селенид свинца (PbSe), или селенид свинца(II), является полупроводниковым материалом. Он образует кубические кристаллы с кристаллической структурой типа NaCl и имеет прямую ширину запрещенной зоны 0,27 эВ при комнатной температуре. (Следует отметить, что в некоторых источниках ошибочно относят PbSe и другие полупроводники IV–VI к материалам с непрямой запрещенной зоной.) Это серое твердое вещество, используемое для производства инфракрасных детекторов для тепловизионных систем. Минерал клаусталит представляет собой природный селенид свинца. Он может образовываться в результате прямой реакции между составляющими его элементами – свинцом и селеном.

Инфракрасное обнаружение

PbSe был одним из первых материалов, обнаруженных как чувствительный к инфракрасному излучению, используемому в военных приложениях. Первые исследования материала в качестве инфракрасного детектора проводились в 1930-х годах, а первые работоспособные устройства были созданы немцами, американцами и британцами во время и сразу после Второй мировой войны. С тех пор PbSe широко используется как инфракрасный фотодетектор в различных областях, от спектрометров для обнаружения газов и пламени до инфракрасных взрывателей для артиллерийских боеприпасов или пассивных систем наведения по инфракрасному излучению (PIC). Обладая высокой чувствительностью к инфракрасному излучению, PbSe имеет уникальные и выдающиеся характеристики: он способен регистрировать ИК-излучение в диапазоне длин волн от 1,5 до 5,2 мкм (средневолновый инфракрасный диапазон, сокращенно MWIR – при определенных условиях возможно расширение его спектральной чувствительности до более чем 6 мкм), демонстрирует высокую детективность при комнатной температуре (безохлаждаемая работа) и, благодаря своей квантовой природе, отличается очень быстрым откликом, что делает его отличным кандидатом для создания недорогих высокоскоростных инфракрасных камер.

Теория действия

Селенид свинца является фотопроводниковым материалом. Механизм его детекции основан на изменении проводимости поликристаллической тонкой пленки активного материала при воздействии фотонов. Эти фотоны поглощаются внутри микрокристаллов PbSe, что приводит к переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости. Несмотря на то, что материал был всесторонне изучен, механизмы, определяющие его высокую чувствительность при комнатной температуре, до конца не выяснены. Общепризнано, что материал и поликристаллическая структура активной тонкой пленки играют ключевую роль в подавлении механизма Аугера и снижении темнового тока, связанного с наличием множественных обедненных областей на границах зерен и потенциальных барьеров внутри поликристаллической тонкой пленки.

Термоэлектрические свойства

Селенид свинца является термоэлектрическим материалом. Алексевой и ее коллегами из Института А. Ф. Иоффе в России этот материал был определен как перспективный высокотемпературный термоэлектрик при легировании натрием или хлором. Последующие теоретические исследования, проведенные в Национальной лаборатории Оук-Ридж (США), показали, что его p-тип характеристики могут быть равны или превосходить характеристики родственного соединения – теллурида свинца. С тех пор несколько исследовательских групп сообщили о термоэлектрических добротностях (ZT), превышающих единицу, что является признаком высокоэффективного термоэлектрика.

Производство инфракрасных детекторов PbSe

Для изготовления инфракрасных детекторов на основе PbSe обычно применяются два метода.

Химическая ванна осаждения (CBD)

Стандартным методом производства является химическое осаждение из раствора (CBD). Он был разработан в США в 1960-х годах и основан на осаждении активного материала на подложку, помещенную в контролируемую ванну с селеномочевиной, ацетатом свинца, йодидом калия и другими соединениями. Метод CBD широко использовался в течение последних десятилетий и до сих пор применяется для изготовления инфракрасных детекторов PbSe. Из-за технологических ограничений, связанных с этим методом, в настоящее время наибольший коммерчески доступный формат детектора PbSe, изготовленного методом CBD, – это линейный массив 1x256 элементов.

Осаждение в паровой фазе (VPD)

Этот метод обработки основан на нанесении активного материала методом термического испарения с последующей термической обработкой. Он обладает неотъемлемым преимуществом перед методом химического осаждения из раствора (CBD), заключающимся в совместимости с предварительно обработанными подложками, такими как кремниевые пластины, изготовленные по CMOS-технологии, и возможности создания сложных детекторов, например, фокальных плоскостных матриц для матричных сенсоров. Фактически, это стало важнейшим достижением за последние десятилетия в производстве детекторов PbSe, поскольку позволило внедрить эту технологию на рынок неохлаждаемых камер высокого разрешения в среднем инфракрасном диапазоне (MWIR) с высокой частотой кадров и сниженной стоимостью.

Фотодетекторы на основе квантовых точек PbSe

Селенид триоктилфосфина и ацетат свинца реагируют с образованием нанофазного селенида свинца. Нанокристаллы селенида свинца, внедрённые в различные материалы, могут использоваться как квантовые точки, например, в нанокристаллических солнечных элементах.