Detector fotovoltaico infrarrojo basado en heterounión p-GeTe / n-Si

Resultados y discusión

Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) de la película de GeTe recocido se muestran en la Fig. 1 ey f. Las inserciones muestran los patrones de transformada rápida de Fourier (FFT) de la película GeTe. Los índices de los planos cristalinos se indican en las imágenes. Según estos resultados, la película de GeTe recocida exhibió una buena cristalinidad. La figura 1g muestra los perfiles de línea de las franjas de celosía mostradas en la figura 1e y f. Los perfiles de la línea superior e inferior de la figura 1g corresponden a los planos de cristal (202) y (220) de la película de GeTe, que tiene una separación de franjas reticulares de 0,294 y 0,209 nm, respectivamente. El diagrama esquemático de la estructura de celosía de GeTe se ilustra en la Fig. 1h. Las figuras 1i yj muestran modelos de plano cristalino de GeTe como se observa en la figura 1e y f, respectivamente.

Se realizó espectroscopía Raman para estudiar la estructura de las películas GeTe antes y después del recocido utilizando un microscopio Renishaw inVia Raman equipado con un láser de iones de argón que opera a una longitud de onda de excitación de 514 nm. Las figuras 2a yb muestran los espectros Raman normalizados de películas de GeTe como depositadas y recocidas, respectivamente. Los resultados concuerdan bien con la literatura [27, 28]. Había tres bandas distintivas entre 100 y 300 cm ⁻¹ como se muestra en la Fig. 2a. Estas bandas se situaron en 124,8, 161,8 y 223,5 cm ⁻¹ , a saber, las bandas B, C y D, respectivamente. Después del recocido, hubo una reducción significativa en la banda D y también una aparición de la banda A situada a 108,1 cm ⁻¹ como se muestra en la Fig. 2b. Las bandas B, C y D también se desplazaron al rojo en 1,1, 5,3 y 21,9 cm ⁻¹ , respectivamente. Estos se atribuyen a la transformación estructural de la película de GeTe que da como resultado una reducción en el grado de desorden (p. Ej., Proporción de interacciones intermoleculares e intramoleculares) [27].

un - b Espectros Raman normalizados de películas GeTe antes y después del recocido, respectivamente. c Espectros de absorción UV-Vis-NIR de las películas GeTe antes y después del recocido. (Recuadro) Gráfica de α ² versus energía fotónica ( hν ) de las dos películas de GeTe. d Imágenes ópticas de la película GeTe recocida para medición AFM. e Perfiles de línea e imagen AFM (recuadro) para la medición del espesor de la película GeTe recocida. f Espectros XRD de las películas GeTe antes y después del recocido. g - yo Espectros XPS de los niveles de núcleo Ge 2p, Ge 3d y Te 3d de la película GeTe recocida

Para investigar las propiedades ópticas de las películas GeTe antes y después del recocido, se realizó una espectroscopía de absorción UV-Vis-NIR utilizando un espectrómetro Horiba iHR 320. La Figura 2c muestra los espectros de absorción UV-Vis-NIR obtenidos de ambas películas. Un pico de absorción a 600 nm fue aparente después del recocido. El coeficiente de absorción de la película de GeTe recocido fue significativamente mayor que el de la película no recocida. Además, se observó una tendencia decreciente en el coeficiente de absorción para una longitud de onda creciente en la banda de infrarrojos. Energía de banda prohibida ( E _g ) de las películas se puede determinar mediante las siguientes fórmulas [29, 30]:

donde hν es la energía del fotón incidente, α es el coeficiente de absorción óptica asociado con hν y C es una constante. La banda prohibida óptica directa de las películas GeTe se puede estimar a partir de la curva de α ² versus energía fotónica ( hv ) como se muestra en el recuadro de la Fig. 2c. Puede variar mucho según las condiciones experimentales y los modelos teóricos [31]. En este trabajo, el E estimado _g de las películas GeTe antes y después del recocido fue de 0,85 y 0,70 eV, respectivamente. Esto concuerda con trabajos previos realizados por otros, que informaron una banda prohibida óptica de ~ 0,85 eV para una película de GeTe amorfa y de ~ 0,73-0,95 eV para la película cristalina [32]. Una reducción de E _g se informó después del recocido debido al orden de largo alcance de la celosía.

Se realizó microscopía de fuerza atómica (AFM) para determinar el espesor de las películas usando AFM (SPA-400). Se utilizó una máscara fotorresistente para preparar la muestra para las mediciones de AFM. La Figura 2d muestra una imagen óptica de la muestra preparada para AFM con un límite obvio entre la película GeTe y el sustrato. La Figura 2e revela un espesor de película de 33 ± 1,5 nm sobre sustratos de Si después del recocido. El recocido tiene un pequeño efecto sobre la rugosidad de la superficie de la raíz cuadrada media (RMS) de las películas delgadas de GeTe; la rugosidad de la superficie RMS disminuyó de 2,1 nm (GeTe depositado) a 1,4 nm (GeTe recocido).

El efecto del recocido en la estructura de las nanofilms de GeTe se investigó más a fondo mediante difracción de rayos X (XRD). La Figura 2f muestra los espectros XRD de las nanofilms GeTe depositadas (azul) y recocidas (rojo). Dos fuertes picos de difracción a 29,9 ° y 43,2 °, que correspondían a los planos de celosía (202) y (220) respectivamente, aparecieron después del recocido. Además, también aparecieron en el espectro dos picos de difracción débiles a 26,0 ° y 53,5 °, que correspondían a los planos de celosía (021) y (042) respectivamente. Cuando se combina con los resultados de TEM anteriores, es evidente que la nanopelícula de GeTe se ordena preferentemente a lo largo de los planos de celosía (220) y (202) durante el proceso de recocido. En comparación con las películas GeTe depositadas, la GeTe recocida tiene un cambio drástico en la fase cristalina; la diferencia en las propiedades ópticas relacionadas con la estructura (espectros de absorción) se muestra en la Fig. 2f y c.

La composición elemental y los enlaces químicos en la superficie de las nanopelículas de GeTe recocidas se estudiaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) utilizando radiación AlKα con una energía de 1486,6 eV. Los espectros XPS de los picos de nivel del núcleo de Ge 2p, Ge 3d y Te 3d de la película de GeTe recocida se muestran en la Fig. 2g, hy i, respectivamente. El nivel principal de Ge 2p consistió principalmente en Ge 2p _3/2 (1220.1 eV) y Ge 2p _1/2 (1251,1 eV) picos de doblete. El nivel del núcleo de Ge 3d se deconvolucionó en dos componentes, a saber, Ge-Te y Ge-O a una energía de enlace de 30,0 y 32,8 eV, respectivamente. El nivel básico de Te 3d constaba de componentes Ge-Te, Te-O y Te-Te. El Te-O (Te ⁴⁺ ) alcanza un máximo de 576,5 eV (Te 3d _5/2 ) y 587.0 eV (Te 3d _3/2 ) en la Fig. 2i se asociaron con TeO ₂ [33, 34]. Tanto los niveles centrales de Ge 3d como los de Te 3d de la nanopelícula de GeTe recocida exhibieron componentes relacionados con el oxígeno, como se muestra en la Fig. 2h y i, respectivamente. Sin embargo, no había ningún componente relacionado con el oxígeno a nivel del núcleo de Ge 2p, que estaba a una mayor profundidad de penetración, como se muestra en la Fig. 2g. Además, GeO ₂ y TeO ₂ estuvieron ausentes de las caracterizaciones XRD y TEM, por lo tanto, esto sugiere que la oxidación de los átomos de Ge y Te se localizó principalmente en la superficie de la película por el oxígeno atmosférico durante los procesos de transferencia y recocido [34] y la capa de óxido era muy delgada. Además, las películas de GeTe recocidas se investigaron mediante una medición de Hall que reveló la conductancia de tipo p.

Se fabricó un prototipo de detector fotovoltaico basado en la heterounión p-GeTe / n-Si para explorar el uso del material en el campo de la optoelectrónica. Los procesos de fabricación del dispositivo se ilustran en la Fig. 3a. La figura 3b muestra la estructura del fotodetector. El espesor de la película de GeTe y los electrodos de Al fue de 33 y 100 nm, respectivamente. Las figuras 3c yd muestran el tiempo de respuesta del dispositivo. El tiempo de subida ( t _R ) se define como el tiempo que tarda la corriente en aumentar del 10 al 90% del pico, mientras que el tiempo de caída ( t _D ) es el tiempo que tarda la corriente en disminuir del 90 al 10%. Como se muestra, el tiempo de subida y bajada fue simétrico con un tiempo de respuesta (τ) de 134 ms (p. Ej., (T _R + t _D ) / 2).

un Diagramas esquemáticos que ilustran el proceso de fabricación de un detector fotovoltaico basado en la heterounión p-GeTe / n-Si y b la estructura del dispositivo. c - d Fotorrespuesta temporal del dispositivo. e Gráficas de log ( J ) -V características del detector fotovoltaico bajo oscuridad (línea negra) y diferentes densidades de irradiación (líneas de color). f Parcelas de R (capacidad de respuesta) - V y g D ^* (detectividad) - V características del detector fotovoltaico

La fotorrespuesta del dispositivo fue evaluada por J - V mediciones con el medidor de fuente Keithley 2400 bajo iluminación de luz. El registro J frente a V características del dispositivo irradiado por λ =Luz de 850 nm a diferentes densidades de 20, 53 y 90 μW cm ⁻² y en condiciones de oscuridad realizadas a temperatura ambiente se muestran en la Fig. 3e. Puede verse en la Fig. 3e que la tensión correspondiente al valor mínimo de J _optar (es decir, densidad de fotocorriente) desviada en 0,1 V del voltaje correspondiente al valor mínimo de J _D (es decir, densidad de corriente oscura) en la dirección de polarización positiva, y que el voltaje fotogénico se generó en las condiciones de luz. Por lo tanto, la heterounión p-GeTe / n-Si ha demostrado su potencial aplicación en la detección de infrarrojos.

Dos importantes figuras de mérito para el fotodetector, como la capacidad de respuesta ( R ) y detectividad ( D ^* ), se determinaron mediante las siguientes ecuaciones [35, 36]:

donde yo _p es la fotocorriente que equivale al valor absoluto de la corriente bajo irradiación restando eso en la oscuridad, A es el área efectiva del dispositivo, P _optar es la potencia óptica incidente, I _d es la corriente oscura, y q es la unidad de carga (1.6 × 10 ⁻¹⁹ C).

Los valores de R y D ^* eran 6–15 A / W y 1–8 × 10 ¹¹ Jones (1 Jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) como se obtiene de la Fig. 3f yg, respectivamente. El dispositivo fue evaluado a temperatura ambiente, sin empaquetar y sin optimización. La Tabla 1 enumera la capacidad de respuesta y la detectividad de algunos fotodetectores infrarrojos basados ​​en la heterounión de calcogenuro / Si; Se puede ver que GeTe / Si muestra un rendimiento relativamente más alto a temperatura ambiente, lo que quizás se deba al gran coeficiente de absorción y la banda prohibida directa de GeTe.