Infrarood fotovoltaïsche detector gebaseerd op p-GeTe/n-Si heterojunctie

Resultaten en discussie

Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) beelden van de gegloeide GeTe-film worden getoond in Fig. 1 e en f. De inzetstukken tonen de snelle Fourier-transformatie (FFT) patronen van de GeTe-film. Indices van kristalvlakken zijn aangegeven op de afbeeldingen. Volgens deze resultaten vertoonde de gegloeide GeTe-film een ​​goede kristalliniteit. Figuur 1g toont de lijnprofielen van de roosterranden getoond in figuur 1e en f. De bovenste en onderste lijnprofielen van figuur 1g komen overeen met (202) en (220) kristalvlakken van GeTe-film, die een roosterrandscheiding van respectievelijk 0,294 en 0,209 nm heeft. Schematisch diagram van de GeTe-roosterstructuur wordt geïllustreerd in Fig. 1h. Figuur 1i en j tonen kristalvlakmodellen van GeTe zoals waargenomen in respectievelijk figuur 1e en f.

Raman-spectroscopie werd uitgevoerd om de structuur van de GeTe-films voor en na uitgloeien te bestuderen met behulp van een Renishaw inVia Raman-microscoop uitgerust met een argon-ionlaser die werkt bij een excitatiegolflengte van 514 nm. Figuur 2a en b tonen de genormaliseerde Raman-spectra van respectievelijk als afgezette en gegloeide GeTe-films. De resultaten komen goed overeen met de literatuur [27, 28]. Er waren drie onderscheidende 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 , namelijk respectievelijk banden B, C en D. Na het uitgloeien was er een significante vermindering van 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 roodverschoven met 1,1, 5,3 en 21,9 cm ⁻¹ , respectievelijk. Deze worden toegeschreven aan structurele transformatie van de GeTe-film, wat resulteert in een vermindering van de mate van wanorde (bijvoorbeeld de verhouding tussen intermoleculaire en intramoleculaire interacties) [27].

een –b Genormaliseerde Raman-spectra van GeTe-films voor en na respectievelijk uitgloeien. c UV-Vis-NIR absorptiespectra van de GeTe-films voor en na het uitgloeien. (Inzet) Perceel van α ² versus fotonenergie (hν ) van de twee GeTe-films. d Optische beelden van de gegloeide GeTe-film voor AFM-meting. e AFM-beeld- en lijnprofielen (inzet) voor diktemeting van de gegloeide GeTe-film. v XRD-spectra van de GeTe-films voor en na het uitgloeien. g –ik XPS-spectra van Ge 2p-, Ge 3d- en Te 3d-kernniveaus van de gegloeide GeTe-film

Om de optische eigenschappen van de GeTe-films voor en na uitgloeien te onderzoeken, werd UV-Vis-NIR-absorptiespectroscopie uitgevoerd met behulp van een Horiba iHR 320-spectrometer. Figuur 2c toont de UV-Vis-NIR-absorptiespectra verkregen uit beide films. Na gloeien was een absorptiepiek bij 600 nm zichtbaar. De absorptiecoëfficiënt van gegloeide GeTe-film was aanzienlijk groter dan die van niet-gegloeide film. Verder werd een dalende trend in de absorptiecoëfficiënt waargenomen voor een toenemende golflengte in de infraroodband. Bandgap-energie (E _g ) van de films kan worden bepaald met behulp van de volgende formules [29, 30]:

waar hν is de energie van een invallend foton, α is de optische absorptiecoëfficiënt geassocieerd met hν , en C is een constante. De directe optische bandgap van de GeTe-films kan worden geschat uit de curve van α ² vs. foton-energie (hv ) zoals getoond in de inzet van Fig. 2c. Het kan sterk variëren, afhankelijk van de experimentele omstandigheden en theoretische modellen [31]. In dit werk wordt de geschatte E _g van de GeTe-films voor en na uitgloeien was respectievelijk 0,85 en 0,70 eV. Dit komt goed overeen met eerder werk van anderen, dat een optische bandgap rapporteerde van ~ 0,85 eV voor een amorfe GeTe-film en ~ 0,73-0,95 eV voor kristallijne film [32]. Een vermindering van E _g werd gemeld na het gloeien vanwege de lange-afstandsordening van het rooster.

Atoomkrachtmicroscopie (AFM) werd uitgevoerd om de dikte van de films te bepalen met behulp van AFM (SPA-400). Fotoresistmasker werd gebruikt om het monster voor te bereiden voor AFM-metingen. Figuur 2d toont een optisch beeld 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 gloeien. Gloeien heeft een klein effect op de root-mean-square (RMS) oppervlakteruwheid van de GeTe dunne films; de RMS-oppervlakteruwheid nam af van 2,1 nm (zoals gedeponeerd GeTe) tot 1,4 nm (gegloeid GeTe).

Het effect van uitgloeien op de structuur van GeTe-nanofilms werd verder onderzocht met behulp van röntgendiffractie (XRD). Figuur 2f toont de XRD-spectra van de als gedeponeerde (blauwe) en gegloeide (rode) GeTe-nanofilms. Twee sterke diffractiepieken bij 29,9° en 43,2°, die overeenkwamen met respectievelijk (202) en (220) roostervlakken, verschenen na annealing. Bovendien verschenen ook twee zwakke diffractiepieken bij 26,0° en 53,5°, die overeenkwamen met respectievelijk (021) en (042) roostervlakken in het spectrum. In combinatie met de bovenstaande TEM-resultaten is het duidelijk dat de GeTe-nanofilm bij voorkeur langs (220) en (202) roostervlakken is geordend tijdens het uitgloeiproces. Vergeleken met de gedeponeerde GeTe-films, heeft het gegloeide GeTe een drastische verandering in de kristalfase; het verschil in de structuurgerelateerde optische eigenschappen (absorptiespectra) wordt getoond in Fig. 2f en c.

Elementsamenstelling en chemische bindingen aan het oppervlak van gegloeide GeTe-nanofilms werden bestudeerd met röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) met behulp van AlKa-straling met een energie van 1486,6 eV. XPS-spectra van Ge 2p-, Ge 3d- en Te 3d-kernniveaupieken van de gegloeide GeTe-film worden respectievelijk getoond in Fig. 2g, h en i. Het kernniveau van Ge 2p bestond voornamelijk uit Ge 2p_3/2 (1220,1 eV) en Ge 2p_1/2 (1251,1 eV) doubletpieken. Het Ge 3d-kernniveau werd gedeconvolueerd in twee componenten, namelijk Ge-Te en Ge-O met een bindingsenergie van respectievelijk 30,0 en 32,8 eV. Het Te 3d-kernniveau bestond uit Ge-Te-, Te-O- en Te-Te-componenten. De Te-O (Te ⁴⁺ ) piekt bij 576,5 eV (Te 3d_5/2 ) en 587,0 eV (Te 3d_3/2 ) in Fig. 2i waren geassocieerd met TeO₂ [33, 34]. Zowel Ge 3d- als Te 3d-kernniveaus van gegloeide GeTe-nanofilm vertoonden zuurstofgerelateerde componenten zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 2h en i. Er was echter geen zuurstofgerelateerde component op het niveau van de Ge 2p-kern, die zich op een grotere penetratiediepte bevond, zoals weergegeven in figuur 2g. Bovendien, GeO₂ en TeO₂ waren afwezig in de XRD- en TEM-karakteriseringen, vandaar dat dit suggereert dat de oxidatie van Ge- en Te-atomen voornamelijk gelokaliseerd was aan het oppervlak van de film door atmosferische zuurstof tijdens de overdrachts- en gloeiprocessen [34] en dat de oxidelaag erg dun was. Bovendien werden de gegloeide GeTe-films onderzocht door Hall-metingen die de p-type geleiding aan het licht brachten.

Een prototype fotovoltaïsche detector op basis van p-GeTe/n-Si heterojunctie werd gefabriceerd om het gebruik van het materiaal op het gebied van opto-elektronica te onderzoeken. De fabricageprocessen van het apparaat worden geïllustreerd in figuur 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 stijgtijd (t _R ) wordt gedefinieerd als de tijd die de stroom nodig heeft om te stijgen van 10 tot 90% van de piek, terwijl de vervaltijd (t _D ) is de tijd die nodig is om de stroom te laten afnemen van 90 naar 10%. Zoals getoond, waren de stijg- en daaltijd symmetrisch met een responstijd (τ) van 134 ms (bijv. (t_R + t_D )/2).

een Schematische diagrammen die het fabricageproces van een fotovoltaïsche detector illustreren op basis van p-GeTe/n-Si heterojunctie en b de apparaatstructuur. c –d Tijdelijke fotorespons van het apparaat. e Plots van log(J )-V kenmerken van de fotovoltaïsche detector onder donkere (zwarte lijn) en verschillende bestralingsdichtheden (gekleurde lijnen). v Percelen van R (responsiviteit)-V en g D ^* (detectie)-V kenmerken van de fotovoltaïsche detector

Fotorespons van het apparaat is geëvalueerd door J -V metingen met behulp van Keithley 2400 sourcemeter onder lichte verlichting. Het logboek J vs. V kenmerken van het apparaat dat wordt bestraald door λ =850 nm licht bij verschillende dichtheden van 20, 53 en 90 μW cm ⁻² en onder donkere omstandigheden uitgevoerd bij kamertemperatuur worden getoond in Fig. 3e. Uit figuur 3e blijkt dat de spanning die overeenkomt met de minimumwaarde van J _opt. (d.w.z. fotostroomdichtheid) die 0,1 V afwijkt van de spanning die overeenkomt met de minimumwaarde van J _D (d.w.z. donkere stroomdichtheid) in de richting van positieve bias, en dat de fotogenieke spanning werd gegenereerd onder de lichtomstandigheden. Daarom heeft de p-GeTe/n-Si heterojunctie zijn potentiële toepassing in infrarooddetectie aangetoond.

Twee belangrijke verdiensten voor fotodetectoren, zoals responsiviteit (R ) en detectiviteit (D ^* ), werden bepaald met behulp van de volgende vergelijkingen [35, 36]:

waar ik _p is de fotostroom die gelijk is aan de absolute waarde van de stroom onder bestraling, afgetrokken van die in het donker, A is het effectieve gebied van het apparaat, P _opt. is het invallende optische vermogen, I _d is de donkere stroom, en q is de eenheidslading (1,6 × 10 ⁻¹⁹ C).

De waarden van R en D ^* waren 6–15 A/W en 1–8 × 10 ¹¹ Jones (1 Jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) zoals verkregen uit respectievelijk Fig. 3f en g. Het apparaat werd geëvalueerd bij kamertemperatuur, onverpakt en zonder optimalisatie. Tabel 1 geeft een overzicht van de responsiviteit en detectiviteit van sommige op infrarood-fotodetectoren gebaseerde chalcogenide/Si-heterojunctie; het is te zien dat GeTe/Si een relatief hogere prestatie vertoont bij kamertemperatuur, wat misschien te wijten is aan de grote absorptiecoëfficiënt en de directe bandafstand van GeTe.