Теллурид кадмия-ртути

Теллурид кадмия-ртути (Hg₁₋ₓCdₓTe, КРТ, MCT) — это тройное полупроводниковое соединение, представляющее собой твёрдый раствор теллурида кадмия (CdTe) и теллурида ртути (HgTe). Материал известен своей способностью изменять ширину запрещённой зоны в широком диапазоне (от 0 до 1,6 эВ) в зависимости от молярной доли кадмия (x), что делает его основным материалом для создания высокочувствительных фотоприёмников инфракрасного (ИК) диапазона, особенно в областях среднего (3–5 мкм) и дальнего (8–14 мкм) инфракрасного излучения. Ключевым свойством КРТ является высокий квантовый выход и возможность работы при температурах, достижимых с помощью термоэлектрического или микрокриогенного охлаждения.

История

Разработка теллурида кадмия-ртути началась в 1950-х годах в рамках поиска материалов для инфракрасной техники, способных заменить менее эффективные соединения, такие как сульфид свинца (PbS) и антимонид индия (InSb). В 1958 году группа учёных из Лаборатории военно-морских исследований США (NRL) под руководством У. Д. Лоусона впервые синтезировала кристаллы Hg₁₋ₓCdₓTe и продемонстрировала их фотопроводимость в ИК-диапазоне. К 1960-м годам были разработаны методы выращивания монокристаллов из расплава (метод Бриджмена — Стокбаргера), что позволило начать промышленное производство.

В 1970-х годах, благодаря усилиям советских учёных (в частности, в Институте физики полупроводников СО АН СССР и НПО «Орион»), были созданы первые отечественные фотоприёмники на основе КРТ. В 1980-х годах технология перешла на эпитаксиальные методы (МОС-гидридная эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия), что позволило получать плёнки с высокой однородностью состава. С 1990-х годов КРТ остаётся доминирующим материалом для тепловизионных систем военного и космического назначения, несмотря на конкуренцию со стороны квантово-точечных фотодетекторов и болометров на основе оксида ванадия.

Физические свойства

Кристаллическая структура и зонная структура

Теллурид кадмия-ртути кристаллизуется в кубической структуре цинковой обманки (сфалерит), характерной для бинарных полупроводников A²B⁶. Замещение атомов ртути на кадмий в узлах кристаллической решётки приводит к образованию непрерывного ряда твёрдых растворов. Ширина запрещённой зоны (Eg) линейно зависит от состава (x) и температуры (T):

\[ E_g(x, T) = -0.302 + 1.93x - 0.810x^2 + 0.832x^3 + 5.35 \times 10^{-4} T(1 - 2x) \]

При x = 0 (чистый HgTe) материал является полуметаллом с нулевой запрещённой зоной, при x = 1 (чистый CdTe) — широкозонным полупроводником (Eg ≈ 1,6 эВ). Для детектирования дальнего ИК-диапазона (8–14 мкм) используется состав x ≈ 0,2, при котором Eg ≈ 0,1 эВ при 77 К.

Оптические и электрические свойства

КРТ обладает прямым типом межзонных переходов, что обеспечивает высокий коэффициент поглощения (до 10⁴ см⁻¹) в области собственного поглощения. Время жизни неравновесных носителей заряда в высококачественных образцах достигает 1–10 мкс, что позволяет достигать обнаружительной способности (D*) до 10¹² см·Гц¹/²·Вт⁻¹. Подвижность электронов при 77 К может превышать 10⁵ см²/(В·с), а дырок — 500 см²/(В·с).

Материал чувствителен к дефектам кристаллической решётки, особенно к дислокациям и примесям, которые снижают время жизни носителей. Для подавления туннельных токов утечки в фотодиодах применяют легирование индием или акцепторными примесями (например, серебром).

Технология получения

Выращивание монокристаллов

Основные методы получения объёмных кристаллов КРТ:

• Метод Бриджмена — Стокбаргера: расплав состава Hg₁₋ₓCdₓTe медленно перемещается через градиент температуры, что приводит к направленной кристаллизации. Недостаток — высокая плотность дислокаций (10⁵–10⁶ см⁻²) и неоднородность состава по длине слитка.
• Метод зонной плавки: используется для очистки и гомогенизации кристаллов.

Эпитаксиальные методы

Для создания фотоприёмных структур с высокой однородностью применяют эпитаксию:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ): позволяет выращивать сверхрешётки и гетероструктуры на подложках CdZnTe или GaAs с контролем толщины до монослоя.
• МОС-гидридная эпитаксия (MOCVD): используется для осаждения плёнок на больших площадях (до 4 дюймов) с использованием прекурсоров диметилкадмия, диэтилтеллура и паров ртути.

Постобработка

После выращивания кристаллы подвергают отжигу в парах ртути для коррекции стехиометрии и снижения концентрации вакансий ртути. Поверхность пассивируют плёнками CdTe или ZnS для уменьшения поверхностной рекомбинации.

Применение

Фотоприёмники инфракрасного диапазона

Основное применение КРТ — создание фотодетекторов для тепловидения, спектроскопии и лазерной локации (LIDAR). Различают два типа устройств:

• Фотопроводники: простые резистивные элементы, работающие в режиме фотопроводимости. Используются в однозлементных детекторах и линейках.
• Фотодиоды: p-n-переходы или гетеропереходы (например, n-HgCdTe/p-CdTe), работающие в фотовольтаическом режиме. Обеспечивают более высокое быстродействие и меньший уровень шума.

Матричные фотоприёмники

Современные тепловизионные камеры используют матрицы формата от 320×256 до 2048×2048 пикселей, изготовленные по технологии гибридной сборки: фоточувствительный слой КРТ соединяется методом индиевых столбиков с кремниевым мультиплексором считывания (CMOS). Такие матрицы способны регистрировать тепловое излучение объектов с температурой от −20 °C до +1000 °C.

Астрономия и космическая техника

КРТ-детекторы устанавливаются на борту космических телескопов (например, прибор MIRI на телескопе «Джеймс Уэбб») для наблюдения в среднем и дальнем ИК-диапазоне. В российской космической программе КРТ используется в аппаратуре спутников дистанционного зондирования Земли (например, «Канопус-В»).

Военная техника

КРТ является ключевым материалом для систем наведения, прицелов и тепловизоров бронетехники (например, российские тепловизоры «Шахин» и «Сова»). В США КРТ применяется в ракетных головках самонаведения AIM-9X Sidewinder и Javelin.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая квантовая эффективность (до 80%) в широком спектральном диапазоне.
• Возможность настройки длины волны детектирования путём изменения состава.
• Высокое быстродействие (постоянная времени до 1 нс для фотодиодов).

Недостатки

• Высокая стоимость производства из-за сложности синтеза и необходимости охлаждения.
• Нестабильность состава при длительном хранении (диффузия ртути).
• Токсичность соединений ртути и кадмия, требующая специальных мер безопасности.
• Необходимость криогенного охлаждения для работы в дальнем ИК-диапазоне (обычно до 77 К).

Альтернативные материалы

Основными конкурентами КРТ являются:

• Антимонид индия (InSb): используется для среднего ИК-диапазона (3–5 мкм), но требует более низких температур охлаждения.
• Квантово-точечные фотодетекторы (QDIP): перспективны для многоспектральной съёмки, но пока уступают КРТ по чувствительности.
• Болометры на основе оксида ванадия (VOx): не требуют охлаждения, но имеют низкое быстродействие и чувствительность.

Интересные факты

• Теллурид кадмия-ртути является одним из немногих материалов, в котором ширина запрещённой зоны может быть изменена от нуля до значений, характерных для видимого света, что делает его уникальным для создания детекторов с перестраиваемой спектральной чувствительностью.
• В 2000-х годах российские учёные из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова разработали технологию получения КРТ-плёнок на подложках кремния, что позволило снизить стоимость матриц.
• Из-за высокой токсичности ртути утилизация отслуживших КРТ-детекторов требует специальных процедур, включая демеркуризацию.

Источники

• Lawson W. D., Nielsen S., Putley E. H., Young A. S. «Preparation and properties of HgTe and mixed crystals of HgTe-CdTe». Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1959, Vol. 9, Issue 3–4, pp. 325–329.
• Rogalski A. «HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook». Reports on Progress in Physics, 2005, Vol. 68, pp. 2267–2336.
• Capper P. (ed.) «Properties of Narrow Gap Cadmium-based Compounds». EMIS Datareviews Series, INSPEC, 1994.
• Физика полупроводниковых приборов / под ред. Р. А. Суриса. — М.: Мир, 1984. — Т. 2, гл. 13.
• «Теллурид кадмия-ртути» // Большая советская энциклопедия, 3-е изд., 1976.