汞碲化镉
2019-04-15 11:18:08   来源:

HgCdTe碲化汞镉(也称碲化镉MCTMerCad碲化物MerCadTelMerCaTCMT)是碲化镉(CdTe)和碲化汞(HgTe)的合金,具有可调谐的带隙,跨越短波红外线到非常长波红外区域。可以选择合金中的镉(Cd)的量,以便将材料的光学吸收调节到所需的红外 波长。CdTe是一个半导体与带隙的约1.5 室温下的电子伏特(eV)。HgTe是半金属,这意味着它的带隙能量为零。混合这两种物质可以获得0到1.5eV之间的任何带隙。

属性

物理

一种闪锌矿单元电池

HgCdTe具有一个闪锌矿结构,其中两个互穿的面心立方晶格在原始单元中偏移(1 / 4,1 / 4,1 / 4)a o。阳离子(Cd或Hg)形成黄色亚晶格,而Te阴离子形成相邻图中的灰色亚晶格。

电子

具有大Hg含量的HgCdTe 的电子迁移率非常高。在用于红外检测的常见半导体中,仅InSb和InAs在室温下超过HgCdTe的电子迁移率。在80K时,Hg 0.8Cd 0.2 Te 的电子迁移率可以是几十万cm 2 /(V·s)。电子在这个温度下也有很长的弹道长度; 他们的平均自由路径可以是几微米。

本征载流子浓度由[1]给出

{\ 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}}}

其中k是玻尔兹曼常数,q是基本电荷,t是材料温度,x是镉浓度的百分比,g[2]给出的带隙。

电子伏特中的HgCdTe带隙是x成分和温度的函数
HgCdTe截止波长(μm)与x成分和温度的函数关系。
带隙与截止波长之间的关系

{\ 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}}

使用这种关系 {\ displaystyle \ lambda _ {p} = {\ frac {1.24} {E_ {g}}}},其中λ是μm和g。在电子伏特中,还可以获得截止波长作为xt的函数:

{\ 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}}

少数载体寿命

俄歇重组

两种类型的俄歇复合影响HgCdTe:Auger 1和Auger 7重组。俄歇1重组涉及两个电子和一个空穴,其中电子和空穴结合,剩余的电子接收等于或大于带隙的能量。俄歇7重组类似于俄歇1,但涉及一个电子和两个空穴。

内部(未掺杂)HgCdTe的俄歇1少数载流子寿命由[3]给出

{\ 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 }}}}

其中FF是重叠积分(约0.221)。

掺杂HgCdTe的俄歇1少数载流子寿命由[4]给出

{\ displaystyle \ tau _ {Auger1_ {doped}}(t,x,n)= {\ frac {2 \ cdot \ tau _ {Auger1(t,x)}} {1 +({\ frac {n} { N_ {I}(T,X)}})^ {2}}}}

其中n是平衡电子浓度。

内部HgCdTe的俄歇7少数载流子寿命大约是俄歇1少数载流子寿命的10倍:

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

掺杂HgCdTe的俄歇7少数载流子寿命由下式给出

{\ displaystyle \ tau _ {Auger7_ {doped}}(t,x,n)= {\ frac {2 \ cdot \ tau _ {Auger7(t,x)}} {1 +({\ frac {n_ {i }(T,X)} {N}})^ {2}}}}

俄歇1和俄歇7重组对少数载流子寿命的总贡献计算为

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

机械编辑]

由于Hg与碲形成的弱键,HgCdTe是一种柔软的材料。它是一种比任何常见的III-V半导体更柔软的材料。HgTe 的莫氏硬度为1.9,CdTe为2.9,Hg 0.5 Cd 0.5 Te为4.铅盐的硬度仍然较低。

编辑]

HgCdTe 的导热系数低; 在低镉浓度下,它低至0.2 W·K -1 m -1。这意味着它不适合高功率设备。虽然红外发光二极管和激光器是用HgCdTe制造的,但它们必须冷却操作才能有效。的比热容量是150·J·千克-1 ķ -1[5]

光学编辑]

HgCdTe在能隙以下的光子能量下的红外透明。该折射率高,达到了近4碲镉汞高汞含量。

红外线检测编辑]

HgCdTe是唯一可以在两个可访问的大气窗口中检测红外辐射的常见材料。这些是3至5μm(中波红外窗口,缩写为MWIR)和8至12μm(长波窗口,LWIR)。使用30%[(Hg 0.7Cd 0.3)Te]和20%[(Hg 0.8 Cd 0.2)Te]镉分别获得MWIR和LWIR窗口中的检测。HgCdTe还可以在2.2至2.4μm和1.5至1.8μm的短波红外SWIR大气窗中进行检测。

HgCdTe是傅里叶变换红外光谱仪光电探测器中的常见材料。这是因为HgCdTe探测器的光谱范围很大,而且量子效率也很高。它还在军事领域,遥感和红外天文学研究中被发现。军事技术依赖于HgCdTe的夜视。特别是,美国空军在所有飞机上大量使用HgCdTe,并装备机载智能炸弹。各种寻热导弹也配备了HgCdTe探测器。HgCdTe探测器阵列也可以在世界上大多数主要研究望远镜上找到包括几颗卫星。许多HgCdTe探测器(例如夏威夷NICMOS探测器)以它们最初开发的天文观测台或仪器命名。

基于LWIR HgCdTe的探测器的主要限制是它们需要冷却到接近液氮(77K)的温度,以减少由于热激励载流子引起的噪声(参见冷却红外摄像机)。MWIR HgCdTe摄像机可在热电冷却器可接近的温度下运行,性能损失小。因此,与辐射热测量计相比,HgCdTe探测器相对较重并且需要维护。另一方面,HgCdTe具有更高的检测速度(帧速率),并且比一些更经济的竞争对手更敏感。

HgCdTe可以用作外差检测器,其中检测本地源和返回的激光之间的干扰。在这种情况下,它可以检测诸如CO 2激光器之类的源。在外差检测模式中,HgCdTe可以是非冷却的,但是通过冷却可以获得更高的灵敏度。可以使用光电二极管,光电导体或光电磁(PEM)模式。利用光电二极管检测器可以实现超过1 GHz的带宽。

HgCdTe的主要竞争对手是灵敏度较低的硅基辐射热测量计(参见非制冷红外热像仪),InSb和光子计数超导隧道结(STJ)阵列。由III-V半导体材料(如GaAs和AlGaAs)制造的量子阱红外光电探测器(QWIP)是另一种可能的替代方案,尽管它们的理论性能极限在相当的温度下不如HgCdTe阵列,并且它们需要使用复杂的反射/衍射光栅克服某些影响阵列响应度的偏振排斥效应。在未来,HgCdTe探测器的主要竞争对手可能以量子点红外光电探测器(QDIP)的形式出现,基于胶体或II型超晶格结构。独特的3-D 量子限制效应与量子点的单极性(基于非激子的光电行为)性质相结合,可以在明显更高的工作温度下实现与HgCdTe相当的性能。最初的实验室工作在这方面已经取得了可喜的成果,QDIP可能是最早出现的重要纳米技术产品之一。

在HgCdTe中,当具有足够能量的红外光子将电子从价带带到导带时发生检测。这种电子由合适的外部读出集成电路(ROIC)收集并转换成电信号。HgCdTe探测器阵列与ROIC的物理配合通常被称为“ 焦平面阵列 ”。

相比之下,在测辐射热计中,光会加热一小块材料。测辐射热计的温度变化导致电阻的变化,其被测量并转换成电信号。

碲化汞与HgCdTe相比具有更好的化学,热和机械稳定性。与汞成分相比,它的能隙变化比HgCdTe更陡峭,使得成分控制更加困难。

HgCdTe生长技术编辑]

散装晶体生长编辑]

第一种大规模生长方法是液体熔体的大量重结晶。这是从20世纪50年代末到70年代初期的主要增长方法。

外延生长编辑]

通过在CdTe或CdZnTe衬底上外延制造高纯度和结晶HgCdTe 。CdZnTe是一种化合物半导体,其晶格参数可以与HgCdTe的晶格参数精确匹配。这消除了HgCdTe外延层的大多数缺陷。CdTe是在90年代开发的替代基板。它与HgCdTe没有晶格匹配,但更便宜,因为它可以通过硅(Si)或锗(Ge)衬底上的外延生长。

液相外延(LPE),其中基板重复浸入液体熔体中,在结晶质量方面给出最佳结果,并且仍然是工业生产的常用技术选择。

近年来,分子束外延(MBE)因其能够堆叠不同合金成分的层而变得普遍。这允许在几个波长下同时检测。此外,MBE以及MOVPE允许在Si或Ge上的大面积衬底(例如CdTe)上生长,而LPE不允许使用这种衬底。

毒性编辑]

尽管Hg在HgCdTe的熔点处具有高蒸气压并且材料的已知[6] 毒性,但晶体生长技术的进步已经有意且稳定地进行了四十年。

另见编辑]

相关资料编辑]

  • 碲化汞,碲化镉,汞碲锌。

其他红外探测材料编辑]

  • 锑化铟,砷化铟,硒化铅,量子阱红外探测器,QDIP。