水銀テルル化カドミウム

Hg _{1− x} Cd _x Teまたはテルル化水銀カドミウム（別名テルル化水銀カドミウム、MCT、MerCad Telluride、MerCadTel、MerCaT 、またはCMT ）は、テルル化カドミウム（CdTe）とテルル化水銀（HgTe）の化合物で、短波赤外線から超長波赤外線領域にわたる調整可能なバンドギャップを持っています。合金中のカドミウム（Cd）の量は、材料の光吸収を目的の赤外線 波長に調整するように選択できます。CdTeは、約室温では1.5  eVです。HgTe は半金属であり、バンドギャップ エネルギーはゼロです。この 2 つの物質を混合すると、0 から 1.5 eV の間の任意のバンドギャップを得ることができます。

Hg _{1− x} Cd _x Te は、原始セル内で (1/4,1/4,1/4) a _oオフセットされた 2 つの相互浸透面心立方格子を持つ閃亜鉛鉱構造です。画像では、Cd と Hg の陽イオンが黄色の副格子上で統計的に混合され、Te 陰イオンが灰色の副格子を形成しています。

Hg 含有量の多い HgCdTe の電子移動度は非常に高いです。赤外線検出に使用される一般的な半導体の中で、室温で HgCdTe の電子移動度を上回るのは InSb と InAs だけです。80 Kでは、Hg 0.8 Cd 0.2 Te の電子移動度は数十_万cm ₂ /(V·s) になります^。この温度では電子の弾道長も長く、平均自由行程は数マイクロメートルになります。

固有キャリア濃度は^{[1]で与えられる。}

${\displaystyle n_{i}(T,x)=(5.585-3.82x+(1.753\cdot 10^{-3})T-1.364\cdot 10^{-3}T\cdot x)\cdot (10^{14}\cdot E_{\text{g}}^{3/4}\cdot T^{3/2}\cdot e^{\frac {-E_{\text{g}}}{2kT}})}$

ここでkはボルツマン定数、qは素電荷、Tは物質の温度、xはカドミウム濃度のパーセンテージ、E _gは^[2]で与えられるバンドギャップである。

${\displaystyle E_{\text{g}}(T,x)=-0.302+1.93\cdot x+(5.35\cdot 10^{-4})\cdot T\cdot (1-2\cdot x)-0.81\cdot x^{2}+0.832\cdot x^{3}}$

λが μm 単位、E g _.が電子ボルト単位の関係式を使用すると、カットオフ波長をxとtの関数として得ることもできます。 ${\displaystyle \lambda _{\text{p}}={\frac {1.24}{E_{\text{g}}}}}$

${\displaystyle \lambda _{\text{p}}=(-0.244+1.556\cdot x+(4.31\cdot 10^{-4})\cdot T\cdot (1-2\cdot x)-0.65\cdot x^{2}+0.671\cdot x^{3})^{-1}}$

HgCdTe には、オージェ 1 再結合とオージェ 7 再結合という2 種類のオージェ再結合が影響します。オージェ 1 再結合には 2 つの電子と 1 つの正孔が関与し、電子と正孔が結合して、残りの電子はバンド ギャップ以上のエネルギーを受け取ります。オージェ 7 再結合はオージェ 1 再結合に似ていますが、1 つの電子と 2 つの正孔が関与します。

真性（非ドープ）HgCdTeのオージェ1少数キャリア寿命は^{[3]で与えられる。}

${\displaystyle \tau _{\text{Auger1}}(T,x)={\frac {2.12\cdot 10^{-14}\cdot {\sqrt {E_{\text{g}}(T,x)}}\cdot e^{\frac {q\cdot E_{\text{g}}(T,x)}{kT}}}{\mathrm {FF} ^{2}\cdot ({\frac {kT}{q}})^{1.5}}}}$

ここで、FFは重なり積分（約0.221）です。

ドープされたHgCdTeのオージェ1少数キャリア寿命は^{[4]で与えられる。}

${\displaystyle \tau _{\text{Auger1(doped)}}(T,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{\text{Auger1}}(T,x)}{1+({\frac {n}{n_{i}(T,x)}})^{2}}}}$

ここでnは平衡電子濃度です。

固有 HgCdTe のオージェ 7 少数キャリアの寿命は、オージェ 1 少数キャリアの寿命の約 10 倍です。

${\displaystyle \tau_{\text{Auger7}}(T,x)=10\cdot \tau_{\text{Auger1}}(T,x)}$

ドープされたHgCdTeのオージェ7少数キャリア寿命は次のように与えられる。

${\displaystyle \tau _{\text{Auger7(doped)}}(T,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{\text{Auger7}}(T,x)}{1+({\frac {n_{i}(T,x)}{n}})^{2}}}}$

オージェ1とオージェ7の再結合による少数キャリア寿命への寄与の合計は次のように計算される。

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

HgCdTe は、Hg とテルルの結合が弱いため、柔らかい材料です。一般的な III-V 半導体よりも柔らかい材料です。HgTe のモース硬度は 1.9、CdTe は 2.9、Hg _0.5 Cd _0.5 Te は 4 です。鉛塩の硬度はさらに低くなります。^{[引用が必要]}

HgCdTeの熱伝導率は低く、カドミウム濃度が低いと0.2 W·K ⁻¹ ⋅m ⁻¹と低くなります。つまり、高出力デバイスには適していません。赤外線発光ダイオードやレーザーはHgCdTeで作られていますが、効率を上げるには低温で動作させる必要があります。比熱容量は150 J·kg ⁻¹ ⋅K ⁻¹です。^[5]

HgCdTe は、エネルギーギャップ以下の光子エネルギーでは赤外線を透過します。屈折率は高く、Hg 含有量が多い HgCdTe ではほぼ 4 に達します。

HgCdTe は、アクセス可能な大気の窓の両方で赤外線を検出できる唯一の一般的な材料です。これらは、3～5 μm (中波赤外線窓、略してMWIR ) と 8～12 μm (長波窓、LWIR ) です。MWIR および LWIR ウィンドウでの検出は、それぞれ 30% [(Hg _0.7 Cd _0.3 )Te] および 20% [(Hg _0.8 Cd _0.2 )Te] のカドミウムを使用して行われます。HgCdTe は、2.2～2.4 μm および 1.5～1.8 μm の 短波赤外線SWIR大気ウィンドウでも検出できます。

HgCdTe は、フーリエ変換赤外分光計の光検出器でよく使われる材料です。これは、HgCdTe 検出器のスペクトル範囲が広く、量子効率も高いためです。また、軍事分野、リモートセンシング、赤外線天文学の研究にも使用されています。軍事技術は、夜間視力のために HgCdTe に依存してきました。特に、米国空軍はすべての航空機で HgCdTe を広範囲に使用し、空中スマート爆弾に装備しています。さまざまな熱追跡ミサイルにも HgCdTe 検出器が装備されています。HgCdTe 検出器アレイは、いくつかの衛星を含む世界の主要な研究用望遠鏡のほとんどにも見られます。多くの HgCdTe 検出器 (ハワイ検出器やNICMOS検出器など) は、元々開発された天文台または機器にちなんで命名されています。

LWIR HgCdTe ベースの検出器の主な制限は、熱励起された電流キャリアによるノイズを減らすために、液体窒素(77 K) に近い温度まで冷却する必要があることです (冷却赤外線カメラを参照)。MWIR HgCdTe カメラは、わずかな性能低下で熱電冷却器が到達可能な温度で動作できます。そのため、HgCdTe 検出器はボロメータに比べて比較的重く、メンテナンスが必要です。一方、HgCdTe は検出速度 (フレーム レート) がはるかに速く、より経済的な競合製品よりも大幅に感度が優れています。

HgCdTe はヘテロダイン検出器として使用でき、ローカル ソースと返されたレーザー光との干渉を検出します。この場合、CO ₂レーザーなどのソースを検出できます。ヘテロダイン検出モードでは、HgCdTe は冷却せずに使用できますが、冷却すると感度が向上します。フォトダイオード、光伝導体、または光電磁 (PEM) モードを使用できます。フォトダイオード検出器を使用すると、1 GHz をはるかに超える帯域幅を実現できます。

HgCdTe の主な競合製品は、感度の低い Si ベースのボロメータ(非冷却赤外線カメラを参照)、InSb、および光子計数型超伝導トンネル接合(STJ) アレイです。GaAsやAlGaAsなどの III-V 半導体材料から製造される量子井戸赤外線光検出器( QWIP )も代替製品として考えられますが、同等の温度での理論上の性能限界は HgCdTe アレイより劣っており、アレイの応答性に影響する特定の偏光排除効果を克服するために複雑な反射/回折格子を使用する必要があります。将来的には、コロイド構造またはタイプ II超格子構造に基づく量子ドット赤外線光検出器 (QDIP)が HgCdTe 検出器の主な競合製品として登場する可能性があります。ユニークな 3D量子閉じ込め効果と量子ドットの単極性 (非励起子ベースの光電挙動) 特性を組み合わせることで、はるかに高い動作温度で HgCdTe に匹敵する性能を実現できます。初期の実験室作業ではこの点に関して有望な結果が示されており、QDIP は最初に登場する重要なナノテクノロジー製品の 1 つになる可能性があります。

HgCdTe では、十分なエネルギーを持つ赤外線光子が電子を価電子帯から伝導帯に蹴り出すと検出が行われます。このような電子は適切な外部読み出し集積回路(ROIC) によって収集され、電気信号に変換されます。HgCdTe 検出器アレイと ROIC の物理的な結合は、しばしば「焦点面アレイ」と呼ばれます。

対照的に、ボロメータでは、光が小さな材料片を加熱します。ボロメータの温度変化によって抵抗が変化し、それが測定されて電気信号に変換されます。

水銀亜鉛テルル化物は、 HgCdTe よりも化学的、熱的、機械的に優れた安定性を備えています。水銀の組成によるエネルギーギャップの変化は HgCdTe よりも急峻であるため、組成の制御が難しくなります。

最初の大規模な成長方法は、液体溶融物のバルク再結晶化でした。これは、1950 年代後半から 1970 年代前半にかけての主流の成長方法でした。

非常に純粋で結晶質の HgCdTe は、 CdTe またはCdZnTe基板上にエピタキシー法で製造されます。CdZnTe は化合物半導体で、その格子定数は HgCdTe の格子定数と正確に一致します。これにより、HgCdTe のエピ層からほとんどの欠陥が除去されます。CdTe は 90 年代に代替基板として開発されました。CdTe は HgCdTe と格子定数は一致しませんが、シリコン (Si) またはゲルマニウム(Ge) 基板上にエピタキシー法で成長させることができるため、はるかに安価です。

液相エピタキシー(LPE) では、CdZnTe 基板が下げられ、ゆっくり冷却する液体 HgCdTe 溶融物の表面上で回転します。これは結晶品質の点で最高の結果をもたらし、現在でも工業生産でよく選択される技術です。

近年、分子線エピタキシー（MBE）は、異なる合金組成の層を積み重ねることができるため、広く普及しています。これにより、複数の波長で同時に検出できます。さらに、MBE、およびMOVPEでは、SiまたはGe上のCdTeなどの大面積基板上での成長が可能ですが、LPEではそのような基板は使用できません。

水銀カドミウムテルル化物は有毒物質として知られており、物質の融点における水銀の高蒸気圧によるさらなる危険性もありますが、それにもかかわらず、その用途で開発され使用され続けています。^[6]

• テルル化水銀、テルル化カドミウム、テルル化水銀亜鉛。

• アンチモン化インジウム、ヒ化インジウム、アンチモン化ヒ化インジウム、セレン化鉛、QWIP

• 赤外線、サーモグラフィー。

注記

文献

• 国家汚染物質目録 – 水銀および化合物ファクトシート
• 韓国大田のi3system