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三代红外探测器的一种新型材料:硒镉汞
时间:2021-09-08 14:38:11浏览次数:86次

目前,第三代红外探测器正向着大面阵,双多色和低成本方向发展。但随着红外焦平面阵列规模的扩大,由于尺寸和成本的限制,传统的碲锌镉(CdZnTe)衬底逐渐成为碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器发展的瓶颈,大尺寸、低成本Si基HgCdTe材料应用而生。经过20多年的努力,分子束外延( MBE )生长Si基HgCdTe材料和器件获得了巨大的进步,尤其在中波和短波波段,美国Teledyne和Raytheon公司已研制出中波、短波4Kx4K焦平面探测器,性能与CdZnTe基HgCdTe器件相当。然而,在长波波段,由于大晶格失配造成Si基HgCdTe材料的位错密度高于CdZnTe基HgCdTe材料两个量级以上,成为大规格长波碲镉汞探测器发展的瓶颈。

硒镉汞( HgCdSe )和HgCdTe性能相似,作为一种极具发展潜力的红外探测材料已被发现多年,但是由于早期缺少合适的衬底、错误的晶向选择及外延技术不成熟等原因,结果不甚理想,研究被搁置。随着III-V族衬底制备及分子束外延HgCdTe技术的成熟,美国陆军实验室( ARL )在两年前重新开始HgCdSe材料的研究,随后Texas州立大学和Arizona州立大学也相继加入其中,并且获得了性能良好的材料,具有极佳的应用前景。

硒镉汞材料相比于碲镉汞的优势。HgCdSe材料同HgCdTe -样,禁带宽度连续可调,能够吸收任何波长的红外辐射,此外,其还具有碲镉汞不具备的其他性能。HgCdSe可以使用成熟的大面积半导体材料作为衬底。大面积、低成本的晶格匹配的衬底材料是制约HgCdTe发展的根本原因,而对HgCdSe材料来说,目前有两种已经可以商用化的III-V族二元半导体材料锑化镓(GaSb)和砷化铟(InAs)可用作HgCdSe生长的衬底材料。这两种衬底材料与HgCdSe几乎晶格匹配,且材料本身的质量很好,位错密度低于CdZnTe衬底。因此有理由相信通过条件合适的外延可以使生长出的硒镉汞材料中的位错密度控制在非常低的水平,甚至优于碲锌镉基碲镉汞材料,从而大大改进焦平面阵列的性能。此外,作为一种成熟的替代衬底,ZnTe/Si的品格和HgCdSe晶格匹配很好。

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硒-镉(Cd-Se )的键能要远高于碲-镉( Cd-Te )的键能,使HgCdSe材料本身更不易产生位错,这是HgCdSe优于HgCdTe另一个优势。HgCdSe材料生长温度低,结晶质量高。研究发现,HgCdSe的最佳生长温度在80℃ -100℃之间,并且HgCdSe的表面形态与衬底的表面形态类似,在GaSb衬底上会形成非常光滑的表面;同时不管选用何种衬底,可观察到的缺陷都非常少,材料结晶质量高。此外,研究人员发现,在GaSb或ZnTe/Si衬底上生长的HgCdSe材料中没有气孔缺陷,而这种缺陷在HgCdTe材料中相当普遍,并会严重影响红外焦平面阵列的性能。

因此,HgCdSe材料有望在长波波段甚至在全波段取代HgCdTe。

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