Détecteur photovoltaïque infrarouge basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si

Contexte

Les détecteurs infrarouges ont suscité un grand intérêt en raison de leurs nombreuses applications potentielles dans l'imagerie de vision nocturne, la sécurité, la télédétection, l'inspection des aliments, la biologie et d'autres domaines [1,2,3]. Généralement, les détecteurs infrarouges photovoltaïques tirent parti des effets des porteurs minoritaires conduisant à un temps de réponse court, ce qui est idéal pour les applications d'imagerie et de détection. Le détecteur infrarouge à base de HgCdTe est bien établi [4, 5]. Cependant, le décalage de réseau de HgCdTe et de Si ne permet pas l'intégration d'unités de détection et de traitement de données, ce qui entraîne un système coûteux et entrave la miniaturisation de la technologie.

De nombreuses activités de recherche ont été menées pour développer diverses structures hétérogènes basées sur des matériaux bidimensionnels cultivés sur différents substrats [6,7,8,9]. La structure hétérogène résultante dépend de l'interaction de van der Waals [10], et il n'y a aucune exigence pour l'appariement de réseau des différents matériaux.

Le matériau GeTe a beaucoup attiré l'attention ces dernières années [11,12,13,14,15]. Il a été considéré comme un concurrent sérieux pour la technologie de mémoire de nouvelle génération car le matériau présente des propriétés physiques, électriques et optiques différentes lorsqu'il est en phases amorphe et cristalline [16,17,18,19,20,21]. GeTe peut également être transformé en semi-conducteur magnétique dilué, qui est un matériau important pour les dispositifs de spintronique [15, 22, 23]. Si les fonctionnalités de stockage et de calcul uniques de GeTe peuvent être intégrées pour développer de nouveaux appareils, cela conduira à des progrès significatifs dans la technologie informatique.

De plus, la capacité de développer des détecteurs photovoltaïques basés sur l'hétérojonction bidimensionnelle GeTe et Si conduira à une technologie révolutionnaire en raison de leur compatibilité avec les processus de circuits Si et de dispositifs spintroniques basés sur GeTe. Il facilitera une connexion transparente et rapide impliquant des détecteurs photovoltaïques dans le domaine de l'informatique à l'avenir. Surtout, la technologie est adaptée à la miniaturisation à faible coût.

Dans ce travail, des nanofilms GeTe de type p ont été préparés par des méthodes de pulvérisation cathodique et de recuit magnétron. Les propriétés physiques, électroniques et optiques des nanofilms ont été étudiées. Enfin, un détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si a été fabriqué et ses performances ont été caractérisées.

Méthodes

L'appareil a été fabriqué en utilisant les procédés suivants. Tout d'abord, un substrat de silicium (Si) monocristallin de type n a été nettoyé par la méthode du bain chimique en utilisant une solution mixte contenant H₂ O à H₂ O₂ à NH₃ H₂ O (3:1:1) à 80 °C pendant 30 min et séché sous flux d'air. Le film GeTe a ensuite été déposé par pulvérisation magnétron directement sur le substrat nettoyé à une pression de 5 Pa pendant 120 s à partir d'un vide initial de 6,0 × 10 ⁻⁴ Pa. Par la suite, le film a été enveloppé dans une feuille de cuivre puis recuit dans un four à vide à 360 °C pendant 10 min. La méthode de recuit était basée sur des expériences préliminaires et sur la température de transition de phase du matériau précédemment rapportée dans la littérature [18, 24, 25, 26]. Enfin, une paire d'électrodes en aluminium (Al) a été évaporée sur le film GeTe et le substrat Si en utilisant la technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD) (à une pression de 7,0 × 10 ^-5 Pa) à travers un masque d'ombre. L'épaisseur des électrodes d'Al était d'environ 100  nm telle que mesurée par un oscillateur à quartz pendant le dépôt. La zone efficace de l'appareil était de 1,5  mm ² . Les figures 1a et b illustrent respectivement les processus de pulvérisation cathodique magnétron et de recuit au four. Les figures 1c et d montrent respectivement les films GeTe tels que déposés et recuits.

un Pulvérisation magnétron d'un film GeTe sur substrat Si. b Post-recuit du film GeTe. c Images optiques de tel que déposé et d films de GeTe recuits sur substrat de quartz. e –f Images MET et motifs FFT (en médaillon) du film GeTe recuit. g Profils de ligne des franges en treillis des plans cristallins (202) et (220) comme indiqué dans les panneaux supérieur et inférieur, respectivement. h –j Diagrammes schématiques des structures cristallines

Résultats et discussion

Des images de microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) du film de GeTe recuit sont présentées sur les figures 1 e et f. Les encarts montrent les modèles de transformée de Fourier rapide (FFT) du film GeTe. Les indices des plans cristallins sont indiqués sur les images. Selon ces résultats, le film de GeTe recuit présentait une bonne cristallinité. La figure 1g montre les profils de lignes des franges en treillis illustrées sur les figures 1e et f. Les profils des lignes supérieure et inférieure de la figure 1g correspondent aux plans cristallins (202) et (220) du film GeTe, qui a une séparation des franges de réseau de 0,294 et 0,209  nm, respectivement. Le diagramme schématique de la structure du réseau GeTe est illustré sur la figure 1h. Les figures 1i et j montrent des modèles de plans cristallins de GeTe tels qu'observés sur les figures 1e et f, respectivement.

La spectroscopie Raman a été réalisée pour étudier la structure des films GeTe avant et après recuit à l'aide d'un microscope Renishaw inVia Raman équipé d'un laser argon-ion fonctionnant à une longueur d'onde d'excitation de 514 nm. Les figures 2a et b montrent les spectres Raman normalisés des films GeTe tels que déposés et recuits, respectivement. Les résultats sont en bon accord avec la littérature [27, 28]. Il y avait trois bandes distinctes entre 100 et 300 cm ⁻¹ comme le montre la figure 2a. Ces bandes étaient situées à 124,8, 161,8 et 223,5 cm ⁻¹ , à savoir les bandes B, C et D, respectivement. Après recuit, il y a eu une réduction significative de la bande D ainsi qu'une apparition de la bande A située à 108,1 cm ⁻¹ comme le montre la figure 2b. Les bandes B, C et D étaient également décalées vers le rouge de 1,1, 5,3 et 21,9 cm ⁻¹ , respectivement. Ceux-ci sont attribués à la transformation structurelle du film GeTe entraînant une réduction du degré de désordre (par exemple, le rapport des interactions intermoléculaires sur intramoléculaires) [27].

un –b Spectres Raman normalisés de films GeTe avant et après recuit, respectivement. c Spectres d'absorption UV-Vis-NIR des films GeTe avant et après recuit. (Encart) Parcelle de α ² versus énergie photonique (hν ) des deux films GeTe. d Images optiques du film GeTe recuit pour la mesure AFM. e Profils d'image et de ligne AFM (en médaillon) pour la mesure de l'épaisseur du film de GeTe recuit. f Spectres XRD des films GeTe avant et après recuit. g –je Spectres XPS des niveaux de base Ge 2p, Ge 3d et Te 3d du film GeTe recuit

Pour étudier les propriétés optiques des films GeTe avant et après le recuit, une spectroscopie d'absorption UV-Vis-NIR a été réalisée à l'aide d'un spectromètre Horiba iHR 320. La figure 2c montre les spectres d'absorption UV-Vis-NIR obtenus à partir des deux films. Un pic d'absorption à 600  nm était apparent après recuit. Le coefficient d'absorption du film de GeTe recuit était significativement plus grand que celui du film non recuit. De plus, une tendance à la baisse du coefficient d'absorption a été observée pour une longueur d'onde croissante dans la bande infrarouge. Énergie de bande interdite (E _g ) des films peut être déterminé à l'aide des formules suivantes [29, 30] :

où hν est l'énergie du photon incident, α est le coefficient d'absorption optique associé à hν , et C est une constante. La bande interdite optique directe des films GeTe peut être estimée à partir de la courbe de α ² vs énergie photonique (hv ) comme indiqué dans l'encadré de la figure 2c. Elle peut fortement varier selon les conditions expérimentales et les modèles théoriques [31]. Dans ce travail, le E estimé _g des films GeTe avant et après recuit était de 0,85 et 0,70 eV, respectivement. Ceci est en bon accord avec des travaux antérieurs effectués par d'autres, qui ont rapporté une bande interdite optique de ~ 0,85 eV pour un film de GeTe amorphe et de ~ 0,73-0,95 eV pour un film cristallin [32]. Une réduction de E _g a été signalé après recuit en raison de l'ordre à longue distance du réseau.

Une microscopie à force atomique (AFM) a été réalisée pour déterminer l'épaisseur des films en utilisant l'AFM (SPA-400). Un masque photorésistant a été utilisé pour préparer l'échantillon pour les mesures AFM. La figure 2d montre une image optique de l'échantillon préparé pour l'AFM avec une frontière évidente entre le film GeTe et le substrat. La figure 2e révèle une épaisseur de film de 33 ± 1,5 nm sur des substrats de Si après recuit. Le recuit a un petit effet sur la rugosité de surface de la moyenne quadratique (RMS) des films minces de GeTe ; la rugosité de surface RMS a diminué de 2,1 nm (GeTe brut) à 1,4  nm (GeTe recuit).

L'effet du recuit sur la structure des nanofilms GeTe a été étudié plus en détail à l'aide de la diffraction des rayons X (XRD). La figure 2f montre les spectres XRD des nanofilms GeTe tels que déposés (bleu) et recuits (rouge). Deux forts pics de diffraction à 29,9° et 43,2°, qui correspondaient respectivement aux plans de réseau (202) et (220), sont apparus après recuit. De plus, deux faibles pics de diffraction à 26,0° et 53,5°, qui correspondaient respectivement aux plans de réseau (021) et (042), sont également apparus dans le spectre. Lorsqu'il est combiné avec les résultats MET ci-dessus, il est évident que le nanofilm de GeTe est préférentiellement ordonné le long des plans de réseau (220) et (202) pendant le processus de recuit. Comparé aux films de GeTe tels que déposés, le GeTe recuit a un changement drastique dans la phase cristalline ; la différence dans les propriétés optiques liées à la structure (spectres d'absorption) est illustrée sur les figures 2f et c.

La composition élémentaire et les liaisons chimiques à la surface de nanofilms de GeTe recuits ont été étudiées par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) en utilisant le rayonnement AlKα avec une énergie de 1486,6 eV. Les spectres XPS des pics de niveau de noyau Ge 2p, Ge 3d et Te 3d du film de GeTe recuit sont représentés sur les figures 2g, h et i, respectivement. Le niveau de base Ge 2p se composait principalement de Ge 2p_3/2 (1220,1 eV) et Ge 2p_1/2 (1251,1 eV) pics de doublet. Le niveau central Ge 3d a été déconvolué en deux composants, à savoir Ge-Te et Ge-O à une énergie de liaison de 30,0 et 32,8 eV, respectivement. Le niveau de base Te 3d était composé de composants Ge-Te, Te-O et Te-Te. Le Te-O (Te ⁴⁺ ) culmine à 576,5 eV (Te 3d_5/2 ) et 587,0 eV (Te 3d_3/2 ) sur la Fig. 2i étaient associés à TeO₂ [33, 34]. Les niveaux de noyau Ge 3d et Te 3d du nanofilm GeTe recuit présentaient des composants liés à l'oxygène, comme le montrent les figures 2h et i, respectivement. Cependant, il n'y avait aucun composant lié à l'oxygène au niveau du cœur de Ge 2p, qui était à une plus grande profondeur de pénétration, comme le montre la figure 2g. De plus, GeO₂ et TeO₂ étaient absents des caractérisations XRD et MET, ce qui suggère que l'oxydation des atomes de Ge et Te était principalement localisée à la surface du film par l'oxygène atmosphérique pendant les processus de transfert et de recuit [34] et que la couche d'oxyde était très mince. De plus, les films de GeTe recuits ont été étudiés par mesure Hall qui a révélé la conductance de type p.

Un prototype de détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si a été fabriqué pour explorer l'utilisation du matériau dans le domaine de l'optoélectronique. Les processus de fabrication du dispositif sont illustrés sur la figure 3a. La figure 3b représente la structure du photodétecteur. L'épaisseur du film GeTe et des électrodes Al était respectivement de 33 et 100  nm. Les figures 3c et d montrent le temps de réponse de l'appareil. Le temps de montée (t _R ) est défini comme le temps mis par le courant pour passer de 10 à 90 % du pic, tandis que le temps de décroissance (t _D ) est le temps nécessaire pour que le courant passe de 90 à 10 %. Comme indiqué, les temps de montée et de descente étaient symétriques avec un temps de réponse (τ) de 134 ms (par exemple, (t_R + t_D )/2).

un Diagrammes schématiques illustrant le processus de fabrication d'un détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si et b la structure de l'appareil. c –d Photoréponse temporelle de l'appareil. e Parcelles de log(J )-V caractéristiques du détecteur photovoltaïque sous des densités d'irradiation sombres (trait noir) et différentes (traits colorés). f Parcelles de R (réactivité)-V et g D ^* (détective)-V caractéristiques du détecteur photovoltaïque

La photoréponse de l'appareil a été évaluée à partir de J -V mesures à l'aide d'un sourcemètre Keithley 2400 sous un éclairage lumineux. Le journal J contre V caractéristiques de l'appareil irradié par λ =lumière 850 nm à différentes densités de 20, 53 et 90 μW cm ⁻² et dans des conditions d'obscurité réalisées à température ambiante sont représentés sur la figure 3e. On peut voir sur la figure 3e que la tension correspondant à la valeur minimale de J _option (c'est-à-dire la densité de photocourant) s'écarte de 0,1  V de la tension correspondant à la valeur minimale de J _D (c'est-à-dire la densité de courant d'obscurité) dans le sens d'une polarisation positive, et que la tension photogénique a été générée dans les conditions d'éclairage. Par conséquent, l'hétérojonction p-GeTe/n-Si a démontré son application potentielle dans la détection infrarouge.

Deux chiffres de mérite importants pour le photodétecteur, comme la réactivité (R ) et la détectivité (D ^* ), ont été déterminés à l'aide des équations suivantes [35, 36] :

où je _p est le photocourant égal à la valeur absolue du courant sous irradiation en soustrayant celui dans l'obscurité, A est la surface effective de l'appareil, P _option est la puissance optique incidente, I _d est le courant d'obscurité, et q est la charge unitaire (1,6 × 10 ⁻¹⁹ C).

Les valeurs de R et D ^* étaient 6–15 A/W et 1–8 × 10 ¹¹ Jones (1 Jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) tel qu'obtenu à partir des figures 3f et g, respectivement. Le dispositif a été évalué à température ambiante, sans emballage et sans optimisation. Le tableau 1 répertorie la réactivité et la détectivité de certains photodétecteurs infrarouges à base d'hétérojonction chalcogénure/Si; on peut voir que GeTe/Si montre une performance relativement plus élevée à température ambiante, ce qui peut être dû au grand coefficient d'absorption et à la bande interdite directe de GeTe.

Conclusions

Des nanofilms cristallins GeTe ont été produits par pulvérisation cathodique magnétron et traitement post-recuit. Les propriétés physiques, électroniques et optiques des nanofilms avant et après recuit ont été étudiées. Après recuit à 360 °C, le nanofilm a révélé un ordre à longue distance et une énergie de bande interdite de 0,70 eV. Un détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si a été fabriqué et a démontré une photoréponse à une irradiation de 850  nm présentant un R élevé de 6-15 A/W et D * de 1 à 8 × 10 ¹¹ Jones avec un temps de réponse de 134 ms. Par conséquent, l'utilisation de l'hétérojonction p-GeTe/n-Si dans la détection infrarouge a été démontrée dans ce travail. Il a un énorme potentiel d'intégration avec d'autres domaines, tels que l'informatique et le stockage de données.

Disponibilité des données et des matériaux

Les conclusions tirées dans ce manuscrit sont basées sur les données (texte principal et figures) présentées et montrées dans cet article.

Abréviations

PVD :

Dépôt physique en phase vapeur

TEM :

Microscope électronique à transmission

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

FFT :

Transformée de Fourier rapide

AFM :

Microscope à force atomique

XRD :

Diffractomètre à rayons X

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X