Detector fotovoltaico infravermelho baseado na heterojunção p-GeTe / n-Si

Resumo

GeTe é um importante material semicondutor de gap estreito e encontrou aplicação nos campos de armazenamento de mudança de fase, bem como em dispositivos spintrônicos. No entanto, ele não foi estudado para aplicação no campo de detectores fotovoltaicos infravermelhos trabalhando em temperatura ambiente. Aqui, nanofilmes de GeTe foram cultivados pela técnica de pulverização catódica de magnetron e caracterizados para investigar suas propriedades físicas, elétricas e ópticas. Um detector fotovoltaico infravermelho de alto desempenho baseado em heterojunção GeTe / Si com a detectividade de 8 × 10 ¹¹ Foi demonstrada a irradiação de Jones com luz de 850 nm à temperatura ambiente.

Histórico

Tem havido um grande interesse em detectores infravermelhos devido às suas muitas aplicações potenciais em imagens de visão noturna, segurança, sensoriamento remoto, inspeção de alimentos, biologia e outros campos [1,2,3]. Geralmente, os detectores infravermelhos fotovoltaicos tiram vantagem dos efeitos de portadora minoritária, levando a um tempo de resposta curto, o que é ideal para aplicações de imagem e detecção. O detector infravermelho baseado em HgCdTe está bem estabelecido [4, 5]. No entanto, a incompatibilidade de rede de HgCdTe e Si não permite a integração de unidades de detecção e processamento de dados, resultando em um sistema caro e dificultando a miniaturização da tecnologia.

Tem havido muitas atividades de pesquisa no desenvolvimento de várias estruturas heterogêneas baseadas em materiais bidimensionais crescidos em diferentes substratos [6,7,8,9]. A estrutura heterogênea resultante depende da interação de van der Waals [10], e não há necessidade de casamento de rede dos diferentes materiais.

O material GeTe tem atraído muita atenção nos últimos anos [11,12,13,14,15]. Tem sido considerado um forte competidor para a tecnologia de memória de próxima geração, pois o material exibe diferentes propriedades físicas, elétricas e ópticas quando está nas fases amorfa e cristalina [16,17,18,19,20,21]. GeTe também pode ser transformado em semicondutor magnético diluído, que é um material importante para dispositivos spintrônicos [15, 22, 23]. Se os recursos exclusivos de armazenamento e computação do GeTe puderem ser integrados para desenvolver novos dispositivos, isso levará a um avanço significativo na tecnologia de computação.

Além disso, a capacidade de desenvolver detector fotovoltaico baseado em heterojunção bidimensional GeTe e Si levará a uma tecnologia inovadora devido à sua compatibilidade com o circuito de Si e processos de dispositivos spintrônicos baseados em GeTe. Isso facilitará a conexão rápida e contínua envolvendo detectores fotovoltaicos no campo da computação no futuro. É importante ressaltar que a tecnologia é adequada para miniaturização a baixo custo.

Neste trabalho, nanofilmes de GeTe tipo p foram preparados por métodos de pulverização catódica e recozimento magnetron. As propriedades físicas, eletrônicas e ópticas dos nanofilmes foram investigadas. Finalmente, um detector fotovoltaico baseado na heterojunção p-GeTe / n-Si foi fabricado e seu desempenho foi caracterizado.

Métodos

O dispositivo foi fabricado usando os seguintes processos. Primeiro, um substrato de silício (Si) monocristalino tipo n foi limpo pelo método de banho químico usando uma solução mista contendo H ₂ O a H ₂ O ₂ para NH ₃ ∙ H ₂ O (3:1:1) a 80 ° C durante 30 min e seco sob fluxo de ar. O filme GeTe foi então depositado por pulverização catódica de magnetron diretamente sobre o substrato limpo a uma pressão de 5 Pa por 120 s a partir de um vácuo inicial de 6,0 × 10 ⁻⁴ Pa. Posteriormente, o filme foi envolvido em folha de cobre e, em seguida, recozido em um forno a vácuo a 360 ° C por 10 min. O método de recozimento foi baseado em experimentos preliminares e temperatura de transição de fase previamente relatada do material na literatura [18, 24,25,26]. Finalmente, um par de eletrodos de alumínio (Al) foi evaporado no filme GeTe e substrato de Si usando a técnica de deposição física de vapor (PVD) (a uma pressão de 7,0 × 10 ⁻⁵ Pa) por meio de uma máscara de sombra. A espessura dos eletrodos de Al era de aproximadamente 100 nm, medida por um oscilador de quartzo durante a deposição. A área efetiva do dispositivo foi de 1,5 mm ² . As Figuras 1a eb ilustram os processos de pulverização catódica e recozimento em forno de magnetron, respectivamente. As Figuras 1c ed mostram os filmes GeTe depositados e recozidos, respectivamente.

a Pulverização por magnetron de filme GeTe em substrato de Si. b Pós-recozimento do filme GeTe. c Imagens ópticas de como depositado e d filmes de GeTe recozidos em substrato de quartzo. e - f Imagens TEM e padrões FFT (inserção) do filme GeTe recozido. g Perfis de linha das franjas de rede de (202) e (220) planos de cristal como mostrado nos painéis superior e inferior, respectivamente. h - j Diagramas esquemáticos das estruturas cristalinas

Resultados e discussão

Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) do filme GeTe recozido são mostradas na Fig. 1 e e f. As inserções mostram os padrões de transformação rápida de Fourier (FFT) do filme GeTe. Índices de planos de cristal são indicados nas imagens. De acordo com esses resultados, o filme de GeTe recozido exibiu boa cristalinidade. A Figura 1g mostra os perfis de linha das franjas da rede mostradas nas Fig. 1e e f. Os perfis de linha superior e inferior da Fig. 1g correspondem aos planos de cristal (202) e (220) do filme GeTe, que tem uma separação de franja de rede de 0,294 e 0,209 nm, respectivamente. O diagrama esquemático da estrutura da rede GeTe é ilustrado na Fig. 1h. A Figura 1i e j mostram modelos de planos de cristal de GeTe conforme observado na Fig. 1e e f, respectivamente.

A espectroscopia Raman foi realizada para estudar a estrutura dos filmes GeTe antes e após o recozimento usando um microscópio Renishaw inVia Raman equipado com um laser de íon-argônio operando em um comprimento de onda de excitação de 514 nm. As Figuras 2a eb mostram os espectros Raman normalizados de filmes GeTe conforme depositados e recozidos, respectivamente. Os resultados estão de acordo com a literatura [27, 28]. Havia três bandas distintas entre 100 e 300 cm ⁻¹ como mostrado na Fig. 2a. Essas bandas estavam situadas em 124,8, 161,8 e 223,5 cm ⁻¹ , a saber, bandas B, C e D, respectivamente. Após o recozimento, houve uma redução significativa na banda D e também uma aparência da banda A situada a 108,1 cm ⁻¹ como mostrado na Fig. 2b. As bandas B, C e D também foram deslocadas para o vermelho em 1,1, 5,3 e 21,9 cm ⁻¹ , respectivamente. Estes são atribuídos à transformação estrutural do filme GeTe resultando na redução do grau de desordem (por exemplo, razão de interações intermoleculares para intramoleculares) [27].

a - b Espectros Raman normalizados de filmes GeTe antes e depois do recozimento, respectivamente. c Espectros de absorção UV-Vis-NIR dos filmes GeTe antes e depois do recozimento. (Inserido) Gráfico de α ² versus energia do fóton ( hν ) dos dois filmes GeTe. d Imagens ópticas do filme GeTe recozido para medição de AFM. e Imagem AFM e perfis de linha (inserção) para medição de espessura do filme GeTe recozido. f Espectros de XRD dos filmes GeTe antes e depois do recozimento. g - i Espectros XPS dos níveis de núcleo Ge 2p, Ge 3d e Te 3d do filme GeTe recozido

Para investigar as propriedades ópticas dos filmes GeTe antes e após o recozimento, a espectroscopia de absorção UV-Vis-NIR foi realizada usando um espectrômetro Horiba iHR 320. A Figura 2c mostra os espectros de absorção de UV-Vis-NIR obtidos de ambos os filmes. Um pico de absorção a 600 nm foi aparente após o recozimento. O coeficiente de absorção do filme GeTe recozido foi significativamente maior do que o do filme não recozido. Além disso, uma tendência decrescente no coeficiente de absorção foi observada para um comprimento de onda crescente na banda infravermelha. Energia do bandgap ( E _g ) dos filmes pode ser determinado usando as seguintes fórmulas [29, 30]:
$$ {\ alpha} ^ 2 \ left (h \ nu \ right) =C \ left (h \ nu - {E} _g \ right) $$ (1)
onde hν é a energia do fóton incidente, α é o coeficiente de absorção óptica associado a hν e C é uma constante. O bandgap óptico direto dos filmes GeTe pode ser estimado a partir da curva de α ² vs. energia do fóton ( hv ) como mostrado na inserção da Fig. 2c. Pode variar muito dependendo das condições experimentais e modelos teóricos [31]. Neste trabalho, o valor estimado E _g dos filmes GeTe antes e após o recozimento foi de 0,85 e 0,70 eV, respectivamente. Isso está de acordo com trabalhos anteriores realizados por outros, que relataram um bandgap óptico de ~ 0,85 eV para um filme GeTe amorfo e de ~ 0,73–0,95 eV para filme cristalino [32]. Uma redução de E _g foi relatado após o recozimento por causa da ordenação de longo alcance da rede.

Microscopia de força atômica (AFM) foi realizada para determinar a espessura dos filmes usando AFM (SPA-400). Máscara fotorresistente foi usada para preparar a amostra para medições de AFM. A Figura 2d mostra uma imagem óptica da amostra preparada para AFM com uma fronteira óbvia entre o filme GeTe e o substrato. A Figura 2e revela uma espessura de filme de 33 ± 1,5 nm em substratos de Si após o recozimento. O recozimento tem um pequeno efeito na rugosidade da superfície da raiz quadrada média (RMS) dos filmes finos de GeTe; a rugosidade da superfície RMS diminuiu de 2,1 nm (GeTe conforme depositado) para 1,4 nm (GeTe recozido).

O efeito do recozimento na estrutura de nanofilmes de GeTe foi investigado usando difração de raios-X (XRD). A Figura 2f mostra os espectros de XRD dos nanofilmes GeTe conforme depositados (azul) e recozidos (vermelho). Dois fortes picos de difração em 29,9 ° e 43,2 °, que corresponderam a (202) e (220) planos de rede, respectivamente, apareceram após o recozimento. Além disso, dois picos de difração fracos a 26,0 ° e 53,5 °, que corresponderam aos planos de rede (021) e (042), respectivamente, também apareceram no espectro. Quando combinado com os resultados de TEM acima, é evidente que o nanofilme GeTe preferencialmente ordenado ao longo dos planos de rede (220) e (202) durante o processo de recozimento. Comparado com os filmes GeTe depositados, o GeTe recozido tem uma mudança drástica na fase do cristal; a diferença nas propriedades ópticas relacionadas à estrutura (espectros de absorção) é mostrada nas Fig. 2f e c.

A composição elementar e as ligações químicas na superfície de nanofilmes de GeTe recozidos foram estudadas por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) usando radiação AlKα com energia de 1486,6 eV. Os espectros XPS dos picos do nível do núcleo Ge 2p, Ge 3d e Te 3d do filme GeTe recozido são mostrados na Fig. 2g, hei, respectivamente. O nível central Ge 2p consistia principalmente em Ge 2p _3/2 (1220,1 eV) e Ge 2p _1/2 (1251,1 eV) picos de dupleto. O nível do núcleo Ge 3d foi deconvoluído em dois componentes, a saber Ge-Te e Ge-O na energia de ligação de 30,0 e 32,8 eV, respectivamente. O nível do núcleo Te 3d consistia em componentes Ge-Te, Te-O e Te-Te. O Te-O (Te ⁴⁺ ) picos em 576,5 eV (Te 3d _5/2 ) e 587,0 eV (Te 3d _3/2 ) na Fig. 2i foram associados ao TeO ₂ [33, 34]. Ambos os níveis de núcleo Ge 3d e Te 3d de nanofilme GeTe recozido exibiram componentes relacionados ao oxigênio, como mostrado na Fig. 2h e i, respectivamente. No entanto, não havia nenhum componente relacionado ao oxigênio no nível do núcleo Ge 2p, que estava em maior profundidade de penetração, como mostrado na Fig. 2g. Além disso, GeO ₂ e TeO ₂ estavam ausentes nas caracterizações de XRD e TEM, portanto, isso sugere que a oxidação dos átomos de Ge e Te estava localizada principalmente na superfície do filme pelo oxigênio atmosférico durante os processos de transferência e recozimento [34] e a camada de óxido era muito fina. Além disso, os filmes de GeTe recozidos foram investigados por medição Hall, que revelou a condutância do tipo p.

Um protótipo de detector fotovoltaico baseado na heterojunção p-GeTe / n-Si foi fabricado para explorar o uso do material na área de optoeletrônica. Os processos de fabricação do dispositivo são ilustrados na Fig. 3a. A Figura 3b mostra a estrutura do fotodetector. A espessura do filme GeTe e eletrodos de Al foi de 33 e 100 nm, respectivamente. As Figuras 3c ed mostram o tempo de resposta do dispositivo. O tempo de subida ( t _R ) é definido como o tempo que leva para a corrente aumentar de 10 a 90% do pico, enquanto o tempo de decaimento ( t _D ) é o tempo necessário para que a corrente diminua de 90 para 10%. Como mostrado, o tempo de subida e descida foram simétricos com um tempo de resposta (τ) de 134 ms (por exemplo, (t _R + t _D ) / 2).

a Diagramas esquemáticos que ilustram o processo de fabricação de detector fotovoltaico baseado na heterojunção p-GeTe / n-Si e b a estrutura do dispositivo. c - d Fotorresposta temporal do dispositivo. e Plotagens de log ( J ) -V características do detector fotovoltaico no escuro (linha preta) e diferentes densidades de irradiação (linhas coloridas). f Parcelas de R (responsividade) - V e g D ^* (detectividade) - V características do detector fotovoltaico

A fotorresposta do dispositivo foi avaliada por J - V medições usando o medidor de fonte Keithley 2400 sob iluminação de luz. O log J vs. V características do dispositivo irradiado por λ =Luz de 850 nm em diferentes densidades de 20, 53 e 90 μW cm ⁻² e no escuro realizado à temperatura ambiente são mostrados na Fig. 3e. Pode-se observar na Fig. 3e que a tensão correspondente ao valor mínimo de J _opt (ou seja, densidade da fotocorrente) desviada em 0,1 V da tensão correspondente ao valor mínimo de J _D (isto é, densidade de corrente escura) na direção de polarização positiva, e que a voltagem fotogênica foi gerada sob as condições de luz. Portanto, a heterojunção p-GeTe / n-Si tem demonstrado seu potencial de aplicação na detecção de infravermelho.

Duas importantes figuras de mérito para o fotodetector, como a responsividade ( R ) e detectividade ( D ^* ), foram determinados usando as seguintes equações [35, 36]:
$$ R =\ frac {I_p} {AP_ {opt}} $$ (2) $$ {D} ^ {\ ast} =\ frac {R \ sqrt {A}} {\ sqrt {2q \ left | { I} _d \ right |}} $$ (3)
onde eu _p é a fotocorrente que é igual ao valor absoluto da corrente sob irradiação subtraindo aquela no escuro, A é a área efetiva do dispositivo, P _opt é a potência óptica incidente, eu _d é a corrente negra e q é a carga unitária (1,6 × 10 ⁻¹⁹ C).

Os valores de R e D ^* eram 6–15 A / W e 1–8 × 10 ¹¹ Jones (1 Jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) conforme obtido na Fig. 3f e g, respectivamente. O dispositivo foi avaliado à temperatura ambiente, sem embalagem e sem otimização. A Tabela 1 lista a responsividade e detectividade de alguns fotodetectores infravermelhos com base na heterojunção calcogeneto / Si; pode-se observar que o GeTe / Si apresenta um desempenho relativamente superior à temperatura ambiente, o que talvez se deva ao grande coeficiente de absorção e ao band gap direto do GeTe.

Conclusões

Nanofilmes cristalinos de GeTe foram produzidos por pulverização catódica e tratamento pós-recozimento. As propriedades físicas, eletrônicas e ópticas dos nanofilmes antes e depois do recozimento foram estudadas. Após o recozimento a 360 ° C, o nanofilme revelou ordem de longo alcance e energia de bandgap de 0,70 eV. O detector fotovoltaico baseado na heterojunção p-GeTe / n-Si foi fabricado e demonstrou fotorresposta em irradiação de 850 nm exibindo alto R de 6–15 A / W e D * de 1–8 × 10 ¹¹ Jones com um tempo de resposta de 134 ms. Assim, o uso da heterojunção p-GeTe / n-Si na detecção de infravermelho foi demonstrado neste trabalho. Ele tem um enorme potencial de integração com outras áreas, como computação e armazenamento de dados.

Disponibilidade de dados e materiais

As conclusões feitas neste manuscrito são baseadas nos dados (texto principal e figuras) apresentados e mostrados neste artigo.

Abreviações

PVD:: Deposição física de vapor
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
HRTEM:: Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução
FFT:: Transformação rápida de Fourier
AFM:: Microscópio de força atômica
XRD:: Difratômetro de raios x
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

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