Detector fotovoltaico infrarrojo de alto rendimiento a temperatura ambiente usando heterounión p-GeTe/n-Si

Resumen

GeTe es un material semiconductor de banda prohibida estrecha importante y ha encontrado aplicación en campos de almacenamiento de cambio de fase y dispositivos espintrónicos. Sin embargo, no se ha estudiado para aplicación en detectores fotovoltaicos infrarrojos que operan a temperatura ambiente. Aquí, nanoláminas GeTe se crecieron por técnica de pulverización catódica por magnetrón y caracterizaron para investigar sus propiedades físicas, eléctricas y ópticas. Se demostró un detector fotovoltaico infrarrojo de alto rendimiento basado en heterounión GeTe/Si con detectividad de 8 × 10¹¹ Jones a irradiación luz 850 nm a temperatura ambiente.

Antecedentes

Ha habido gran interés en detectores infrarrojos debido a sus muchas aplicaciones potenciales en visión nocturna, seguridad, teledetección, inspección alimentaria, biología y otros campos. Generalmente, detectores fotovoltaicos infrarrojos aprovechan efectos de portadores minoritarios llevando a tiempo de respuesta corto, ideal para aplicaciones de imagen y sensado. Detectores infrarrojos basados en HgCdTe están bien establecidos. Sin embargo, el desajuste de red de HgCdTe y Si no permite integración de unidades de detección y procesamiento de datos, resultando en sistemas costosos y obstaculizando la miniaturización de la tecnología.

Ha habido mucha actividad investigadora desarrollando varias estructuras heterogéneas basadas en materiales bidimensionales crecidos en diferentes sustratos. La estructura heterogénea resultante depende de interacción van der Waals, y no hay requisito de coincidencia de red de los diferentes materiales.

El material GeTe ha atraído atención extensa en años recientes. Se ha considerado un fuerte contendiente para tecnología memoria de próxima generación ya que el material exhibe diferentes propiedades físicas, eléctricas y ópticas cuando está en fases amorfa y cristalina. GeTe también puede hacerse semiconductor magnético diluido, material importante para dispositivos espintrónicos. Si las características únicas de almacenamiento y cómputo de GeTe pueden integrarse para desarrollar dispositivos novedosos, esto llevará a avance significativo en tecnología computacional.

Además, la capacidad de desarrollar detector fotovoltaico basado en heterounión GeTe bidimensional y Si llevará a tecnología revolucionaria debido a su compatibilidad con circuitos Si y procesos de dispositivos espintrónicos basados en GeTe. Facilitará conexión perfecta y rápida involucrando detectores fotovoltaicos en campo computacional futuro. Importante, la tecnología es adecuada para miniaturización a bajo costo.

En este trabajo, nanoláminas GeTe tipo p se prepararon por métodos de pulverización catódica por magnetrón y recocido. Las propiedades físicas, electrónicas y ópticas de las nanoláminas se investigaron. Finalmente, se fabricó un detector fotovoltaico basado en heterounión p-GeTe/n-Si y su rendimiento se caracterizó.

Métodos

El dispositivo se fabricó usando los siguientes procesos. Primero, un sustrato silicio (Si) monocristalino tipo n se limpió por método de baño químico usando solución mixta conteniendo H₂O a H₂O₂ a NH₃·H₂O (3:1:1) a 80 °C por 30 min y secó bajo flujo aire. Película GeTe se depositó luego por pulverización catódica por magnetrón directamente sobre sustrato limpio a presión 5 Pa por 120 s desde vacío inicial 6,0 × 10⁻⁴ Pa. Subsecuentemente, la película se envolvió en lámina cobre y luego recoció en horno vacío a 360 °C por 10 min. El método de recocido se basó en experimentos preliminares y temperatura de transición de fase del material reportada previamente en literaturas. Finalmente, un par de electrodos aluminio (Al) se evaporó sobre película GeTe y sustrato Si usando técnica deposición vapor física (PVD) (a presión 7,0 × 10⁻⁵ Pa) a través de máscara sombra. El espesor de electrodos Al fue aproximadamente 100 nm medido por oscilador cuarzo durante deposición. El área efectiva del dispositivo fue 1,5 mm². La Figura 1a y b ilustran los procesos de pulverización catódica por magnetrón y recocido horno, respectivamente. La Figura 1c y d muestran las películas GeTe as-depositadas y recocidas, respectivamente.

Resultados y discusión

Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) de la película GeTe recocida se muestran en Fig. 1e y f. Los insets muestran patrones transformada rápida Fourier (FFT) de la película GeTe. Índices de planos cristalinos se indican en las imágenes. Según estos resultados, la película GeTe recocida exhibió buena cristalinidad. La Figura 1g muestra los perfiles línea de las franjas red mostradas en Fig. 1e y f. Los perfiles línea superior e inferior de Fig. 1g corresponden a planos cristalinos (202) y (220) de película GeTe, que tienen separación franjas red 0,294 y 0,209 nm, respectivamente. Diagrama esquemático de la estructura red GeTe se ilustra en Fig. 1h. Figura 1i y j muestran modelos planos cristalinos GeTe observados en Fig. 1e y f, respectivamente.

Espectroscopía Raman se realizó para estudiar la estructura de películas GeTe antes y después del recocido usando microscopio Raman Renishaw inVia equipado con láser argón-ion operando a longitud excitación 514 nm. Figura 2a y b muestran los espectros Raman normalizados de películas GeTe as-depositadas y recocidas, respectivamente. Los resultados concuerdan bien con literaturas. Hubo tres bandas distintivas entre 100 y 300 cm⁻¹ como se muestra en Fig. 2a. Estas bandas situadas en 124,8, 161,8 y 223,5 cm⁻¹, bandas B, C y D respectivamente. Tras recocido, hubo reducción significativa banda D y también aparición banda A situada en 108,1 cm⁻¹ como se muestra Fig. 2b. Bandas B, C y D también desplazamiento rojo 1,1, 5,3 y 21,9 cm⁻¹ respectivamente. Estos atribuidos a transformación estructural película GeTe resultando reducción grado desorden (ej., ratio interacciones intermoleculares a intramoleculares).

Para investigar propiedades ópticas películas GeTe antes y después recocido, espectroscopía absorción UV-Vis-NIR se realizó usando espectrómetro Horiba iHR 320. Figura 2c muestra espectros absorción UV-Vis-NIR obtenidos ambas películas. Pico absorción 600 nm aparente tras recocido. Coeficiente absorción película GeTe recocida significativamente mayor que película sin recocer. Además, tendencia decreciente coeficiente absorción observada para longitud onda creciente banda infrarroja. Energía banda prohibida (E_g) películas puede determinarse usando fórmulas:

Ecuación (1): α²(hν) = C(hν - E_g)

donde hν es energía fotón incidente, α es coeficiente absorción óptica asociado con hν, y C es constante. La banda prohibida óptica directa películas GeTe puede estimarse desde curva α² vs. energía fotón (hv) como se muestra inset Fig. 2c. Puede variar grandemente dependiendo condiciones experimentales y modelos teóricos. En este trabajo, estimado E_g películas GeTe antes y después recocido fue 0,85 y 0,70 eV respectivamente. Esto concuerda bien con trabajos previos realizados por otros, que reportaron banda prohibida óptica ~ 0,85 eV para película GeTe amorfa y ~ 0,73-0,95 eV para película cristalina. Reducción E_g reportada tras recocido debido a ordenamiento largo alcance red.

Microscopía fuerza atómica (AFM) se realizó para determinar espesor películas usando AFM (SPA-400). Máscara fotorresistente se usó para preparar muestra para mediciones AFM. Figura 2d muestra imagen óptica muestra preparada AFM con límite obvio entre película GeTe y sustrato. Figura 2e revela espesor película 33 ± 1,5 nm sustratos Si tras recocido. Recocido tiene poco efecto rugosidad superficial root-mean-square (RMS) películas delgadas GeTe; rugosidad RMS superficial disminuyó 2,1 nm (GeTe as-depositado) a 1,4 nm (GeTe recocido).

Efecto recocido sobre estructura nanoláminas GeTe se investigó further usando difracción rayos X (XRD). Figura 2f muestra espectros XRD nanoláminas GeTe as-depositadas (azul) y recocidas (rojo). Dos picos difracción fuertes 29,9° y 43,2°, correspondieron a planos red (202) y (220) respectivamente, aparecieron tras recocido. Además, dos picos difracción débiles 26,0° y 53,5°, correspondieron a planos red (021) y (042) respectivamente, también aparecieron en espectro. Combinado con resultados TEM arriba, es evidente que nanolámina GeTe ordenada preferencialmente entlang planos red (220) y (202) durante proceso recocido. Comparado nanoláminas GeTe as-depositadas, GeTe recocido tiene cambio drástico fase cristalina; diferencia propiedades ópticas relacionadas estructura (espectros absorción) se muestra Fig. 2f y c.

Composición elemental y enlaces químicos superficie nanoláminas GeTe recocidas estudiados por espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS) usando radiación AlKα energía 1486,6 eV. Espectros XPS Ge 2p, Ge 3d y Te 3d niveles núcleo película GeTe recocida se muestran Fig. 2g, h i respectivamente. Nivel núcleo Ge 2p consistió principalmente Ge 2p_3/2 (1220,1 eV) y Ge 2p_1/2 (1251,1 eV) picos dobletes. Nivel núcleo Ge 3d se desconvolucionó en dos componentes, Ge-Te y Ge-O en energía enlace 30,0 y 32,8 eV respectivamente. Nivel núcleo Te 3d consistió Ge-Te, Te-O y Te-Te componentes. Picos Te-O (Te⁴⁺) 576,5 eV (Te 3d_5/2) y 587,0 eV (Te 3d_3/2) Fig. 2i asociados TeO₂. Ambos niveles núcleo Ge 3d y Te 3d nanolámina GeTe recocida exhibieron componentes oxígeno-relacionados Fig. 2h i respectivamente. Sin embargo, no hubo componente oxígeno-relacionado nivel núcleo Ge 2p, que mayor profundidad penetración, Fig. 2g. Además, GeO₂ y TeO₂ ausentes caracterizaciones XRD y TEM, por tanto sugiere oxidación átomos Ge y Te principalmente localizada superficie película por oxígeno atmosférico durante procesos transferencia y recocido y capa óxido muy delgada. Además, películas GeTe recocidas investigadas por medición Hall revelaron conductancia tipo p.

Un prototipo detector fotovoltaico basado heterounión p-GeTe/n-Si se fabricó para explorar uso material en campo optoelectrónica. Procesos fabricación dispositivo ilustrados Fig. 3a. Figura 3b representa estructura fotodetector. Espesor película GeTe y electrodos Al fue 33 y 100 nm respectivamente. Figura 3c y d muestran tiempo respuesta dispositivo. Tiempo subida (t_R) definido como tiempo tomado corriente aumentar 10 a 90% pico, mientras tiempo decaimiento (t_D) tiempo tomado corriente disminuir 90 a 10%. Como se muestra, tiempos subida y caída simétricos con tiempo respuesta (τ) 134 ms (ej., (t_R + t_D)/2).

Fotorespuesta dispositivo evaluada desde mediciones J-V usando Keithley 2400 sourcemeter bajo iluminación luz. Características log J vs. V dispositivo irradiado λ = 850 nm luz diferentes densidades 20, 53 y 90 μW cm⁻² y bajo condición oscuridad realizadas a temperatura ambiente se muestran Fig. 3e. Se ve Fig. 3e que voltaje correspondiente valor mínimo J_opt (densidad fotocorriente) desviado 0,1 V voltaje correspondiente valor mínimo J_D (densidad corriente oscuridad) dirección sesgo positivo, y voltaje fotogénico generado bajo condiciones luz. Por tanto, heterounión p-GeTe/n-Si demostrado su potencial aplicación detección infrarroja.

Dos importantes figuras mérito fotodetector, responsividad (R) y detectividad (D*), determinadas usando ecuaciones:

Ecuación (2): R = I_p / (A P_opt)

Ecuación (3): D* = R√A / √(2q|I_d|)

donde I_p es fotocorriente igual valor absoluto corriente bajo irradiación restando oscuridad, A área efectiva dispositivo, P_opt potencia óptica incidente, I_d corriente oscuridad, q carga unitaria (1,6 × 10⁻¹⁹ C).

Valores R y D* fueron 6-15 A/W y 1-8 × 10¹¹ Jones (1 Jones = 1 cm Hz¹/² W⁻¹) obtenidos Fig. 3f g respectivamente. Dispositivo evaluado temperatura ambiente, sin empaquetar, sin optimización. Tabla 1 lista responsividad detectividad algunos fotodetectores infrarrojos basados calcogenuro/Si heterounión; se ve GeTe/Si muestra rendimiento relativamente mayor temperatura ambiente, quizás debido gran coeficiente absorción y banda prohibida directa GeTe.

Conclusiones

Nanoláminas GeTe cristalinas producidas por pulverización catódica por magnetrón y tratamiento post-recocido. Propiedades físicas, electrónicas y ópticas nanoláminas antes y después recocido estudiadas. Tras recocido 360 °C, nanolámina reveló orden largo alcance y energía banda prohibida 0,70 eV. Detector fotovoltaico basado heterounión p-GeTe/n-Si fabricado y demostró fotorespuesta irradiación 850 nm exhibiendo alta R 6-15 A/W y D* 1-8 × 10¹¹ Jones con tiempo respuesta 134 ms. Por tanto, uso heterounión p-GeTe/n-Si detección infrarroja demostrado en este trabajo. Tiene enorme potencial integración otros campos, como cómputo y almacenamiento datos.

Disponibilidad de datos y materiales

Las conclusiones en este manuscrito basadas en datos (texto principal y figuras) presentados y mostrados en este artículo.

Abreviaturas

PVD:

Deposición vapor física

TEM:

Microscopio electrónico transmisión

HRTEM:

Microscopio electrónico transmisión alta resolución

FFT:

Transformada rápida Fourier

AFM:

Microscopio fuerza atómica

XRD:

Difractómetro rayos X

XPS:

Espectroscopía fotoelectrónica rayos X