Hoogpresterende Infrarood-fotovoltaïsche Detector bij Kamertemperatuur met behulp van p-GeTe/n-Si Heterostructuur

Samenvatting

GeTe is een belangrijk smal bandgap halfgeleidermateriaal en heeft toepassing gevonden in de velden van faseveranderingsopslag en spintronische apparaten. Het is echter niet bestudeerd voor toepassing op het gebied van infrarood-fotovoltaïsche detectoren die bij kamertemperatuur werken. Hierbij werden GeTe-nanofilmen gegroeid door magnetronsputtermethode en gekarakteriseerd om de fysieke, elektrische en optische eigenschappen te onderzoeken. Een hoogpresterende infrarood-fotovoltaïsche detector gebaseerd op GeTe/Si heterostructuur met een detectiviteit van 8 × 10¹¹ Jones bij 850 nm belichting bij kamertemperatuur werd gedemonstreerd.

Achtergrond

Er is groot belangstelling voor infrarooddetectoren vanwege hun veel potentiële toepassingen in nachtvisie-imaging, veiligheid, remote sensing, voedselinspectie, biologie en andere velden. Over het algemeen maken fotovoltaïsche infrarooddetectoren gebruik van minderheidsladingsdragereffecten wat leidt tot korte responstijd, wat ideaal is voor imaging en sensing toepassingen. HgCdTe-gebaseerde infrarooddetector is goed gevestigd. Echter, de rooster mismatch van HgCdTe en Si staat geen integratie van detectie- en dataverwerkingseenheden toe, wat resulteert in duur systeem en de miniaturisering van de technologie belemmert.

Er is veel onderzoek gedaan in het ontwikkelen van diverse heterogene structuren gebaseerd op tweedimensionale materialen gegroeid op verschillende substraten. De resulterende heterogene structuur hangt af van van der Waals interactie, en er is geen eis voor roosteraanpassing van de verschillende materialen.

GeTe-materiaal heeft in de laatste jaren veel aandacht getrokken. Het wordt beschouwd als een sterke kandidaat voor de volgende generatie geheugentechnologie omdat het materiaal verschillende fysieke, elektrische en optische eigenschappen vertoont wanneer het in amorfe en kristallijne fasen is. GeTe kan ook gemaakt worden tot verdunde magnetische halfgeleider, wat een belangrijk materiaal is voor spintronische apparaten. Als de unieke opslag- en rekenkenmerken van GeTe geïntegreerd kunnen worden om nieuwe apparaten te ontwikkelen, zal dit leiden tot significante vooruitgang in de computergtechnologie.

Bovendien zal de mogelijkheid om een fotovoltaïsche detector te ontwikkelen gebaseerd op tweedimensionale GeTe en Si heterostructuur leiden tot breekdoor technologie vanwege hun compatibiliteit met Si-circuit en GeTe-gebaseerde spintronische apparaatprocessen. Het zal naadloze en snelle verbinding faciliteren met fotovoltaïsche detectoren op het gebied van computing in de toekomst. Belangrijk is dat de technologie geschikt is voor miniaturisering tegen lage kosten.

In dit werk werden p-type GeTe-nanofilmen bereid door magnetronsputteren en annealmethode. De fysieke, elektronische en optische eigenschappen van de nanofilmen werden onderzocht. Ten slotte werd een fotovoltaïsche detector gebaseerd op p-GeTe/n-Si heterostructuur geproduceerd en de prestaties gekarakteriseerd.

Methodes

Het apparaat werd geproduceerd met de volgende processen. Eerst werd een n-type monokristallijn silicium (Si) substraat gereinigd door chemische badmethode met een gemengde oplossing bevattend H₂O tot H₂O₂ tot NH₃·H₂O (3:1:1) bij 80 °C gedurende 30 min en gedroogd onder luchtstroom. GeTe-film werd vervolgens gedeponeerd door magnetronsputteren direct op het gereinigde substraat bij een druk van 5 Pa gedurende 120 s vanaf een initiële vacuum van 6,0 × 10⁻⁴ Pa. Vervolgens werd de film in koperfolie gewikkeld en geanneald in een vacuumoven bij 360 °C gedurende 10 min. De annealmethode was gebaseerd op voorlopige experimenten en eerdere gerapporteerde fasovergangstemperatuur van het materiaal in de literatuur. Ten slotte werd een paar aluminium (Al) elektrodens op de GeTe-film en Si-substraat gedampt met fysieke dampmethode (PVD) (bij een druk van 7,0 × 10⁻⁵ Pa) door een schaduwmasker. De dikte van de Al-elektroden was ongeveer 100 nm gemeten door een kwartsoscillator tijdens depositie. Het effectieve oppervlak van het apparaat was 1,5 mm². Figuur 1a en b illustreren de magnetronsputter- en ovenannealprocessen respectievelijk. Figuur 1c en d tonen de als-gedeponeerde en geannealde GeTe-filmen respectievelijk.

Resultaten en Discussie

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) afbeeldingen van de geannealde GeTe-film zijn getoond in Fig. 1e en f. De insets tonen de snelle Fourier-transformatie (FFT) patronen van de GeTe-film. Indices van kristalvlakken zijn op de afbeeldingen aangegeven. Volgens deze resultaten vertoonde de geannealde GeTe-film goede kristalliniteit. Figuur 1g toont de lijnprofielen van de roosterfranjes getoond in Fig. 1e en f. De bovenste en onderste lijnprofielen van Fig. 1g corresponderen met (202) en (220) kristalvlakken van GeTe-film, wat een roosterfranjesscheiding van 0,294 en 0,209 nm heeft respectievelijk. Schematiche diagram van de GeTe-roosterstructuur is geïllustreerd in Fig. 1h. Figuur 1i en j tonen kristalvlakmodellen van GeTe zoals waargenomen in Fig. 1e en f respectievelijk.

Raman-spectroscopie werd uitgevoerd om de structuur van de GeTe-filmen voor en na annealing te bestuderen met een Renishaw inVia Raman-microscoop uitgerust met een argon-ion laser werkend bij een excitatiegolflengte van 514 nm. Figuur 2a en b tonen de genormaliseerde Raman-spectra van als-gedeponeerde en geannealde GeTe-filmen respectievelijk. De resultaten zijn in goede overeenstemming met de literatuur. Er waren drie duidelijke banden tussen 100 en 300 cm⁻¹ zoals getoond in Fig. 2a. Deze banden bevonden zich op 124,8, 161,8 en 223,5 cm⁻¹, nl. banden B, C en D respectievelijk. Na annealing was er een significante reductie in band D en ook een verschijning van band A gelegen op 108,1 cm⁻¹ zoals getoond in Fig. 2b. Banden B, C en D waren ook rood-verschuift met 1,1, 5,3 en 21,9 cm⁻¹ respectievelijk. Dit wordt toegeschreven aan structurele transformatie van de GeTe-film resulterend in reductie van de graad van onorde (bijv. verhouding van intermoleculaire tot intramoleculaire interacties).

Om de optische eigenschappen van de GeTe-filmen voor en na annealing te onderzoeken, werd UV-Vis-NIR absorptiespectroscopie uitgevoerd met een Horiba iHR 320 spectrometer. Figuur 2c toont de UV-Vis-NIR absorptiespectra verkregen van beide filmen. Een absorptiepiek bij 600 nm was duidelijk na annealing. De absorptiecoëfficiënt van geannealde GeTe-film was significant groter dan die van ongeannealde film. Verder werd een dalende trend in de absorptiecoëfficiënt waargenomen voor een toenemende golflengte in het infraroodband. Bandgap-energie (Eg) van de filmen kan worden bepaald met de volgende formules:

α²(hν) = C(hν - Eg)

waarbij hν de energie van het incident foton is, α de optische absorptiecoëfficiënt geassocieerd met hν, en C een constante. De directe optische bandgap van de GeTe-filmen kan worden geschat uit de curve van α² vs. fotonenergie (hv) zoals getoond in de inset van Fig. 2c. Deze kan sterk variëren afhankelijk van de experimentele condities en theoretische modellen. In dit werk was de geschatte Eg van de GeTe-filmen voor en na annealing respectievelijk 0,85 en 0,70 eV. Dit is in goede overeenstemming met eerdere werk uitgevoerd door anderen, die een optische bandgap van ~ 0,85 eV rapporteerden voor een amorfe GeTe-film en ~ 0,73-0,95 eV voor kristallijne film. Een reductie van Eg werd gerapporteerd na annealing vanwege lange-orde van het rooster.

Atoomkrachtmicroscopie (AFM) werd uitgevoerd om de dikte van de filmen te bepalen met AFM (SPA-400). Fotoreistmasker werd gebruikt om het monster voor AFM-metingen voor te bereiden. Figuur 2d toont een optische afbeelding van het voorbereide monster voor AFM met een duidelijke grens tussen GeTe-film en substraat. Figuur 2e onthult een filmdikte van 33 ± 1,5 nm op Si-substraten na annealing. Annealing heeft een klein effect op de root-mean-square (RMS) oppervlakterauwheid van de GeTe dunne filmen; de RMS oppervlakterauwheid nam af van 2,1 nm (als-gedeponeerde GeTe) tot 1,4 nm (geannealde GeTe).

Het effect van annealing op de structuur van GeTe-nanofilmen werd verder onderzocht met Röntgendiffractie (XRD). Figuur 2f toont de XRD-spectra van de als-gedeponeerde (blauw) en geannealde (rood) GeTe-nanofilmen. Twee sterke diffractiepieken bij 29,9° en 43,2°, die corresponderen met (202) en (220) roostervlakken respectievelijk, verschenen na annealing. Daarnaast verschenen twee zwakke diffractiepieken bij 26,0° en 53,5°, die corresponderen met (021) en (042) roostervlakken respectievelijk, ook in het spectrum. Gecombineerd met de bovenstaande TEM-resultaten is het duidelijk dat de GeTe-nanofilm preferentieel geordend werd langs (220) en (202) roostervlakken tijdens het annealproces. Vergeleken met de als-gedeponeerde GeTe-filmen, heeft de geannealde GeTe een drastische verandering in de kristalfase; het verschil in structuur-gerelateerde optische eigenschappen (absorptiespectra) is getoond in Fig. 2f en c.

Elementaire samenstelling en chemische bindingen aan het oppervlak van geannealde GeTe-nanofilmen werden bestudeerd met Röntgenfotoelektronspectroscopie (XPS) met AlKα-straling met energie van 1486,6 eV. XPS-spectra van Ge 2p, Ge 3d en Te 3d kernniveau pieken van de geannealde GeTe-film zijn getoond in Fig. 2g, h en i respectievelijk. Het Ge 2p kernniveau bestond voornamelijk uit Ge 2p₃/₂ (1220,1 eV) en Ge 2p₁/₂ (1251,1 eV) dubbelpieken. Het Ge 3d kernniveau was gedeconvolueerd in twee componenten, nl. Ge-Te en Ge-O bij bindingsenergie van 30,0 en 32,8 eV respectievelijk. Het Te 3d kernniveau bestond uit Ge-Te, Te-O en Te-Te componenten. De Te-O (Te⁴⁺) pieken bij 576,5 eV (Te 3d₅/₂) en 587,0 eV (Te 3d₃/₂) in Fig. 2i waren geassocieerd met TeO₂. Zowel Ge 3d als Te 3d kernniveaus van geannealde GeTe-nanofilm vertoonden zuurstof-gerelateerde componenten zoals getoond in Fig. 2h en i respectievelijk. Echter, er was geen zuurstof-gerelateerde component bij Ge 2p kernniveau, wat op grotere dieptepenetratie was, zoals getoond in Fig. 2g. Verder waren GeO₂ en TeO₂ afwezig van de XRD en TEM karakteriseringen, wat suggereert dat de oxidatie van Ge en Te atomen primair gelokaliseerd was aan het oppervlak van de film door atmosferische zuurstof tijdens de overdracht en annealprocessen en de oxidatielaag was erg dun. Daarnaast werden de geannealde GeTe-filmen onderzocht met Hall-meting wat p-type geleiding onthulde.

Een prototype fotovoltaïsche detector gebaseerd op p-GeTe/n-Si heterostructuur werd geproduceerd om het gebruik van het materiaal in het veld van opto-elektronica te verkennen. De apparaatfabricageprocessen zijn geïllustreerd in Fig. 3a. Figuur 3b toont de structuur van de fotodetector. De dikte van de GeTe-film en Al-elektroden was respectievelijk 33 en 100 nm. Figuur 3c en d tonen de responstijd van het apparaat. De rijstijd (tR) is gedefinieerd als de tijd die nodig is voor de stroom om te stijgen van 10 tot 90% van de piek, terwijl de valtijd (tD) de tijd is die nodig is voor de stroom om te dalen van 90 tot 10%. Zoals getoond, waren de rijs- en valtijd symmetrisch met een responstijd (τ) van 134 ms (bijv. (tR + tD)/2).

Fotorespons van het apparaat werd geëvalueerd uit J-V metingen met Keithley 2400 sourcemeter onder lichtbelichting. De log J vs. V karakteristieken van het apparaat bestraald door λ = 850 nm licht bij verschillende dichtheden van 20, 53 en 90 μW cm⁻² en onder donkere conditie uitgevoerd bij kamertemperatuur zijn getoond in Fig. 3e. Uit Fig. 3e kan worden gezien dat de spanning overeenkomend met de minimumwaarde van Jopt (d.w.z. fotostroomdichtheid) afweek met 0,1 V van de spanning overeenkomend met de minimumwaarde van JD (d.w.z. donkerstroomdichtheid) in de richting van positieve bias, en dat de fotogene spanning werd gegenereerd onder de lichtcondities. Daarom heeft de p-GeTe/n-Si heterostructuur haar potentiële toepassing in infrarooddetectie gedemonstreerd.

Twee belangrijke cijfers van verdienste voor fotodetector, zoals responsiviteit (R) en detectiviteit (D*), werden bepaald met de volgende vergelijkingen:

R = Ip / (A × Popt)

D* = R × √A / √(2q × |Id|)

waarbij Ip de fotostroom is die gelijk is aan absolute waarde van stroom onder bestraling min die in het donker, A het effectieve oppervlak van het apparaat, Popt de incident optische vermogen, Id de donkerstroom, en q de eenheidslading (1,6 × 10⁻¹⁹ C).

De waarden van R en D* waren 6-15 A/W en 1-8 × 10¹¹ Jones (1 Jones = 1 cm Hz¹/² W⁻¹) verkregen uit Fig. 3f en g respectievelijk. Het apparaat werd geëvalueerd bij kamertemperatuur, ongepakt en zonder optimalisatie. Tabel 1 lijst de responsiviteit en detectiviteit van enkele infraroodfotodetectoren gebaseerd op chalcogeenide/Si heterostructuur; het kan worden gezien dat GeTe/Si een relatief hogere prestatie vertoont bij kamertemperatuur, wat misschien te wijten is aan de grote absorptiecoëfficiënt en de directe bandgap van GeTe.

Conclusies

Kristallijne GeTe-nanofilmen werden geproduceerd door magnetronsputteren en na-annealing behandeling. De fysieke, elektronische en optische eigenschappen van de nanofilmen voor en na annealing werden bestudeerd. Na annealing bij 360 °C onthulde de nanofilm lange-orde en bandgap-energie van 0,70 eV. Fotovoltaïsche detector gebaseerd op de p-GeTe/n-Si heterostructuur werd geproduceerd en vertoonde fotorespons bij 850 nm bestraling met hoge R van 6-15 A/W en D* van 1-8 × 10¹¹ Jones met een responstijd van 134 ms. Daarom werd het gebruik van p-GeTe/n-Si heterostructuur in infrarooddetectie in dit werk gedemonstreerd. Het heeft enorme potentieel voor integratie met andere velden, zoals computing en dataopslag.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De conclusies gemaakt in dit manuscript zijn gebaseerd op de data (hoofdtekst en figuren) gepresenteerd en getoond in dit artikel.

Afkortingen

PVD:

Fysieke dampmethode

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop

HRTEM:

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscoop

FFT:

Snelle Fourier-transformatie

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

XRD:

Röntgendiffractometer

XPS:

Röntgenfotoelektronspectroscopie