HgCdTe

HgCdTe (теллурид кадмия-ртути, КРТ) — тройной полупроводниковый материал, представляющий собой твёрдый раствор теллурида кадмия (CdTe) и теллурида ртути (HgTe). Обладает уникальной способностью изменять ширину запрещённой зоны в диапазоне от 0 до 1,6 эВ в зависимости от состава, что делает его основным материалом для создания высокочувствительных фотоприёмников инфракрасного (ИК) диапазона, особенно в области длин волн 8–14 мкм (тепловое излучение). Благодаря этому HgCdTe является ключевым компонентом в системах тепловидения, ночного видения, космической и военной оптики.

История

Открытие и ранние исследования

Впервые возможность создания твёрдого раствора HgTe и CdTe была теоретически обоснована в 1950-х годах. В 1958 году группа учёных под руководством У. Д. Лоусона (W. D. Lawson) в Великобритании синтезировала первый образец HgCdTe и продемонстрировала его фотопроводимость в инфракрасном диапазоне. Однако из-за сложности получения однородных кристаллов и высокой летучести ртути практическое применение началось лишь в 1960-х годах.

Развитие технологии в СССР и России

В Советском Союзе исследования HgCdTe начались в 1960-х годах в Институте физики полупроводников Сибирского отделения АН СССР (Новосибирск) и в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова (ГОИ). К 1970-м годам были разработаны методы выращивания монокристаллов методом Бриджмена и зонной плавки. В 1980-х годах в СССР было налажено серийное производство фотоприёмников на основе КРТ для систем тепловидения, в том числе для космических аппаратов (например, спутников серии «Ресурс-О»). В постсоветский период разработки продолжились в АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха» (Москва) и в Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).

Современный этап

С 1990-х годов основные усилия были направлены на создание многоэлементных матричных фотоприёмников (FPA — Focal Plane Array) и гетероструктур с квантовыми ямами. В 2000-х годах российские предприятия (например, АО «Швабе») освоили выпуск тепловизионных модулей на основе HgCdTe для гражданских и военных нужд. В 2020-х годах ведутся работы по созданию гибридных матриц с кремниевыми мультиплексорами и по снижению стоимости материала.

Физические свойства

Кристаллическая структура

HgCdTe кристаллизуется в кубической сингонии типа сфалерита (цинковая обманка). Параметр решётки изменяется линейно от 0,6461 нм (для CdTe) до 0,6468 нм (для HgTe), что обеспечивает хорошее согласование с подложками из CdZnTe.

Зонная структура

Ширина запрещённой зоны Eg определяется мольной долей x CdTe в соединении Hg₁₋ₓCdₓTe. При x ≈ 0,2 материал становится узкозонным (Eg ≈ 0,1 эВ), что соответствует длинноволновому ИК-диапазону (8–14 мкм). При x ≈ 0,3 — средневолновому (3–5 мкм), а при x > 0,5 — ближнему ИК и видимому диапазону. Зависимость Eg от температуры также значительна: при охлаждении до 77 К ширина зоны увеличивается на 0,02–0,03 эВ.

Оптические и электрические характеристики

• Высокий коэффициент поглощения (до 10⁴ см⁻¹) в области собственного поглощения.
• Высокая подвижность электронов (до 10⁵ см²/(В·с) при 77 К) и низкая подвижность дырок.
• Низкая собственная концентрация носителей (10¹³–10¹⁴ см⁻³) при криогенных температурах, что позволяет достигать высокой чувствительности.
• Температурная зависимость — при комнатной температуре материал теряет свои фотоприёмные свойства из-за высокой тепловой генерации носителей, поэтому большинство приборов охлаждается до 77–200 К.

Технология изготовления

Выращивание монокристаллов

Основные методы:

• Метод Бриджмена — медленное охлаждение расплава в ампуле. Позволяет получать кристаллы диаметром до 50 мм, но с градиентом состава по длине.
• Зонная плавка — локальное расплавление зоны в стержне. Используется для гомогенизации состава.
• Эпитаксия из жидкой фазы (LPE) — выращивание тонких плёнок на подложках CdZnTe. Наиболее распространённый метод для матричных приёмников.
• Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) — прецизионный метод для создания гетероструктур с квантовыми ямами, но дорогой и низкопроизводительный.

Легирование

Для создания p-n-переходов используют легирование акцепторами (золото, медь) или донорами (индий, галлий). В российских разработках часто применяют ионную имплантацию.

Проблемы качества

Основные дефекты: дислокации (плотность 10⁴–10⁶ см⁻²), включения теллура, неоднородность состава (особенно в крупных кристаллах). Для снижения дефектов используют отжиг в парах ртути.

Применение

Тепловидение и ночное видение

HgCdTe является основой большинства современных тепловизоров, работающих в диапазоне 8–14 мкм (тепловое излучение тел при комнатной температуре). Такие приборы используются:

• в военной технике (прицелы, системы наведения, разведка);
• в гражданской сфере (пожарная охрана, энергоаудит, медицинская диагностика);
• в системах безопасности (обнаружение скрытых объектов).

Космическая техника

В России HgCdTe применяется в спутниковых системах дистанционного зондирования Земли, например, в аппаратах «Метеор-М» и «Канопус-В». Материал позволяет регистрировать тепловое излучение земной поверхности и атмосферы с высоким разрешением.

Научные исследования

• Астрономия — ИК-камеры для наземных и космических телескопов (например, приборы на телескопе «Спектр-РГ»).
• Спектроскопия — для анализа химического состава веществ по ИК-спектрам.

Ограничения

• Необходимость криогенного охлаждения (жидкий азот, 77 К, или микроохладители Стирлинга) увеличивает массу, энергопотребление и стоимость.
• Высокая токсичность ртути требует специальных мер безопасности при производстве и утилизации.
• Деградация параметров при длительном хранении из-за диффузии ртути.

Сравнение с альтернативами

HgCdCdTe остаётся лидером по чувствительности и спектральному охвату, но уступает микроболометрам в простоте и дешевизне.

Интересные факты

• В 1970-х годах советские учёные разработали метод «вакуумной зонной плавки» для получения HgCdTe с рекордно низкой плотностью дефектов.
• Крупнейшие производители HgCdTe — США (компании DRS Technologies, Raytheon), Великобритания (Leonardo DRS), Россия (АО «НИИ «Полюс»), Китай.
• В 2010-х годах в России создан тепловизионный модуль «Кулон» на основе HgCdTe, который используется в системах наведения высокоточного оружия.

Источники

• Лоусон У. Д. и др. «Полупроводниковые соединения типа A₂B₆». — М.: Мир, 1965.
• Рогальский А. «Инфракрасные фотоприёмники». — М.: Мир, 1979.
• Гусев В. М., Гусева М. И. «Физика полупроводников». — М.: Высшая школа, 2001.
• Материалы АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха» (открытые публикации).
• Отчёты Государственного оптического института имени С. И. Вавилова (1970–1980 гг.).