Теллурид ртути-кадмия¶

Теллурид ртути-кадмия (Hg₁₋ₓCdₓTe, КРТ, HgCdTe) — это тройное полупроводниковое соединение на основе ртути, кадмия и теллура, обладающее уникальными фотоэлектрическими свойствами. Материал является ключевым компонентом для создания высокочувствительных фотоприёмников инфракрасного (ИК) диапазона, особенно в области длинноволнового ИК-излучения (8–14 мкм), где атмосфера Земли наиболее прозрачна. Благодаря возможности точного изменения ширины запрещённой зоны путём варьирования состава, теллурид ртути-кадмия занимает доминирующее положение в производстве матричных фотодетекторов для систем ночного видения, тепловидения, астрономии и военной техники.

¶История

Разработка теллурида ртути-кадмия началась в 1950-х годах в рамках поиска материалов для ИК-фотоприёмников, способных работать в диапазоне длин волн 8–14 мкм. Первые образцы были синтезированы в 1958 году группой учёных под руководством У. Лоусона (США) в лаборатории компании Hughes Aircraft. В 1960-х годах были установлены основные физические свойства соединения, включая зависимость ширины запрещённой зоны от состава и температуры. В 1970-х годах началось промышленное производство КРТ для военных и космических применений, в частности для систем наведения и разведки. В СССР исследования велись в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе (Ленинград) и в Институте физики полупроводников (Новосибирск), где к 1980-м годам были созданы собственные технологии выращивания монокристаллов. В 1990-х годах развитие эпитаксиальных методов (МОС-гидридная эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия) позволило получать плёнки КРТ с высокой однородностью состава, что сделало возможным создание многоэлементных матриц.

¶Физические свойства

¶Кристаллическая структура

Теллурид ртути-кадмия кристаллизуется в структуре сфалерита (цинковой обманки), характерной для бинарных полупроводников AIIBVI. В решётке атомы теллура образуют гранецентрированную кубическую подрешётку, а атомы ртути и кадмия статистически замещают друг друга в тетраэдрических позициях. Параметр решётки линейно изменяется с составом: от 6,461 Å (HgTe) до 6,483 Å (CdTe). Близость параметров решётки позволяет выращивать гетероструктуры на подложках из CdTe или CdZnTe с малым рассогласованием.

¶Электронная структура

Ширина запрещённой зоны (Eg) теллурида ртути-кадмия определяется составом x (мольная доля CdTe). Для HgTe (x=0) Eg ≈ −0,3 эВ (инвертированная зонная структура, полуметалл), для CdTe (x=1) Eg ≈ 1,6 эВ (широкозонный полупроводник). При x ≈ 0,2 Eg обращается в ноль, а при x > 0,2 становится положительной, что соответствует прямозонному полупроводнику. Эмпирическая зависимость Eg от x и температуры T (в К) описывается формулой:

Eg(x, T) = −0,302 + 1,93x + 5,35·10⁻⁴·T·(1−2x) − 0,810x² + 0,832x³ (эВ).

Для типичного состава x ≈ 0,2 (диапазон 8–12 мкм) при 77 К Eg ≈ 0,1 эВ. Малая эффективная масса электронов (0,005–0,02 m₀) обеспечивает высокую подвижность носителей заряда (до 10⁵ см²/(В·с) при 77 К).

¶Оптические свойства

КРТ обладает высоким коэффициентом поглощения в ИК-диапазоне (α > 10⁴ см⁻¹), что позволяет создавать тонкие (10–20 мкм) фоточувствительные слои. Показатель преломления в ИК-области составляет около 3,5–4,0. Материал прозрачен в диапазоне длин волн короче края собственного поглощения, что используется для создания фильтров и окон.

¶Классификация и типы

По способу выращивания и структуре различают:

• Объёмные монокристаллы — выращиваются методом Бриджмена (вертикальная зонная плавка) или методом Чохральского. Используются для одиночных фотодиодов и малых линеек.
• Эпитаксиальные плёнки — выращиваются на подложках из CdTe, CdZnTe или Si методами:
• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — обеспечивает наилучшую однородность состава и толщины.
• МОС-гидридная эпитаксия (MOVPE) — позволяет наносить слои на большие площади.
• Гетероструктуры — содержат несколько слоёв с разным составом (например, двойные гетероструктуры для p-i-n фотодиодов).

По типу проводимости различают:

• n-тип — легирование индием или галлием (доноры).
• p-тип — легирование мышьяком или сурьмой (акцепторы), либо создаётся вакансиями ртути.

¶Применение

Основное применение теллурида ртути-кадмия — изготовление фотоприёмников инфракрасного излучения. В зависимости от состава и конструкции различают:

• Фотодиоды — p-n-переходы, работающие в режиме фотогальванического эффекта. Используются в матричных тепловизорах (например, в системах FLIR, в российских тепловизорах «Шахин» и «Катран»).
• Фоторезисторы — плёнки n-типа, изменяющие сопротивление под действием ИК-излучения. Применяются в простых детекторах движения.
• Фотоприёмные матрицы — двумерные массивы пикселей (до 2048×2048 элементов), интегрированные с кремниевыми мультиплексорами. Используются в астрономии (например, спектрометр NIRSpec на телескопе «Джеймс Уэбб»), в разведывательных спутниках и в системах ПВО.

Дополнительные области применения:

• Спектроскопия — детекторы для анализа состава газов и жидкостей.
• Медицинская термография — тепловизионные камеры для диагностики воспалительных процессов.
• Экологический мониторинг — обнаружение утечек газов (метан, углекислый газ).

¶Технология производства

Выращивание монокристаллов КРТ требует высокой чистоты исходных компонентов (99,9999% и выше) и строгого контроля состава. Основные методы:

1. Метод Бриджмена — шихта (HgTe + CdTe) помещается в кварцевую ампулу, которая медленно опускается через зону нагрева (700–800 °C). Кристаллизация происходит при градиенте температуры. Недостаток — неоднородность состава по длине слитка.
2. Метод Чохральского — вытягивание кристалла из расплава. Требует герметизации из-за высокого давления паров ртути.
3. Эпитаксия — нанесение плёнок на подложку:

• МЛЭ: испарение компонентов в сверхвысоком вакууме (10⁻¹⁰ Торр) с контролем скорости роста на уровне монослоёв.
• MOVPE: разложение металлоорганических соединений (диметилкадмий, диэтилтеллур) и элементарной ртути в газовой фазе.

После выращивания проводят:

• Термический отжиг — для устранения дефектов и регулирования концентрации вакансий ртути.
• Фотолитографию — для формирования меза-структур или планарных p-n-переходов.
• Пассивацию — нанесение диэлектрических слоёв (ZnS, SiO₂) для защиты поверхности.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая квантовая эффективность (до 80% в ИК-диапазоне).
• Возможность детектирования излучения в широком диапазоне длин волн (1–25 мкм) за счёт изменения состава.
• Высокое быстродействие (время отклика < 1 нс).
• Работа при температурах 77–200 К (охлаждение жидким азотом или микрокриогенными системами).

¶Недостатки

• Высокая стоимость производства (до 10⁵ долл. за матрицу).
• Нестабильность свойств при комнатной температуре из-за диффузии ртути.
• Сложность получения однородных плёнок на больших площадях.
• Токсичность ртути и кадмия, требующая специальных мер безопасности.
• Необходимость глубокого охлаждения для снижения темнового тока (в отличие от неохлаждаемых микроболометров).

¶Альтернативные материалы

В ряде применений КРТ конкурирует с другими ИК-материалами:

• InSb — для диапазона 3–5 мкм, менее чувствителен, но проще в производстве.
• Квантовые ямы на основе GaAs/AlGaAs — для длинноволнового ИК-диапазона, но с меньшей квантовой эффективностью.
• Типы II-VI (ZnCdSe, HgZnTe) — обладают аналогичными свойствами, но менее изучены.
• Неохлаждаемые микроболометры (VOx, a-Si) — дешевле, но уступают КРТ по чувствительности и быстродействию.

¶Исследования в России

В Российской Федерации разработка и производство КРТ ведётся в ряде организаций:

• АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха» (Москва) — разработка матричных фотоприёмников для космических систем.
• АО «ЦНИИ «Циклон» (Москва) — производство ИК-детекторов для тепловизионных приборов.
• Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) — фундаментальные исследования и выращивание эпитаксиальных структур.
• Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) — изучение электронных свойств и дефектов.

Российские разработки ориентированы на импортозамещение в системах вооружения (тепловизоры для танков, вертолётов) и космической аппаратуры (спутники дистанционного зондирования Земли).

¶Интересные факты

• Теллурид ртути-кадмия является одним из немногих материалов, в котором ширина запрещённой зоны может быть настроена на нулевое значение, что приводит к переходу от полупроводникового к полуметаллическому состоянию.
• Максимальная чувствительность фотоприёмников на основе КРТ достигается при охлаждении до 77 К (температура жидкого азота), однако ведутся разработки для работы при 150–200 К с использованием термоэлектрических охладителей.
• В 2020 году российские учёные из ИФП СО РАН продемонстрировали матрицу КРТ с пикселем 5×5 мкм, что позволило повысить разрешение тепловизионных систем.