Détecteur photovoltaïque infrarouge haute performance à température ambiante utilisant une hétérojonction p-GeTe/n-Si

Résumé

Le GeTe est un matériau semi-conducteur à bande interdite étroite important, utilisé dans le stockage à changement de phase et les dispositifs spintroniques. Cependant, il n'a pas été étudié pour l'application dans les détecteurs photovoltaïques infrarouges fonctionnant à température ambiante. Ici, des nanofilm de GeTe ont été déposés par pulvérisation cathodique magnétron et caractérisés pour étudier leurs propriétés physiques, électriques et optiques. Un détecteur photovoltaïque infrarouge haute performance basé sur l'hétérojonction GeTe/Si avec une détectivité de 8 × 10¹¹ Jones à l'irradiation 850 nm à température ambiante a été démontré.

Contexte

Il y a un grand intérêt pour les détecteurs infrarouges en raison de leurs nombreuses applications potentielles : vision nocturne, sécurité, télédétection, inspection alimentaire, biologie, etc. Généralement, les détecteurs infrarouges photovoltaïques exploitent les effets de porteurs minoritaires menant à un temps de réponse court, idéal pour l'imagerie et la détection. Les détecteurs infrarouges basés sur HgCdTe sont bien établis. Cependant, le désaccord de réseau entre HgCdTe et Si ne permet pas l'intégration des unités de détection et de traitement de données, résultant en systèmes coûteux et entravant la miniaturisation.

De nombreuses recherches ont porté sur le développement de structures hétérogènes basées sur des matériaux bidimensionnels cultivés sur différents substrats. La structure hétérogène résultante dépend de l'interaction de van der Waals, sans exigence d'appariement de réseau des différents matériaux.

Le matériau GeTe a attiré une attention considérable ces dernières années. Il est considéré comme un prétendant sérieux pour la technologie mémoire de prochaine génération car il présente différentes propriétés physiques, électriques et optiques en phases amorphe et cristalline. Le GeTe peut aussi être transformé en semi-conducteur magnétique dilué, matériau important pour les dispositifs spintroniques. Si les caractéristiques uniques de stockage et calcul du GeTe peuvent être intégrées pour développer de nouveaux dispositifs, cela mènera à une avancée significative en technologie informatique.

De plus, la capacité de développer un détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction GeTe bidimensionnel et Si mènera à une technologie révolutionnaire grâce à leur compatibilité avec les circuits Si et les processus de dispositifs spintroniques GeTe. Cela facilitera une connexion transparente et rapide impliquant des détecteurs photovoltaïques dans le domaine de l'informatique. Important, la technologie est adaptée à la miniaturisation à faible coût.

Dans ce travail, des nanofilm p-type GeTe ont été préparés par pulvérisation cathodique magnétron et recuit. Les propriétés physiques, électroniques et optiques des nanofilm ont été étudiées. Finalement, un détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si a été fabriqué et sa performance caractérisée.

Méthodes

Le dispositif a été fabriqué selon les procédés suivants. Premièrement, un substrat silicium (Si) monocristallin de type n a été nettoyé par bain chimique avec une solution mélangée H₂O/H₂O₂/NH₃·H₂O (3:1:1) à 80 °C pendant 30 min, séché sous flux d'air. Le film GeTe a été déposé par pulvérisation cathodique magnétron directement sur le substrat nettoyé à une pression de 5 Pa pendant 120 s depuis un vide initial de 6,0 × 10⁻⁴ Pa. Ensuite, le film a été enveloppé dans du papier cuivre et recuit dans un four sous vide à 360 °C pendant 10 min. La méthode de recuit était basée sur des expériences préliminaires et la température de transition de phase du matériau rapportée dans la littérature. Finalement, une paire d'électrodes aluminium (Al) a été évaporée sur le film GeTe et le substrat Si par dépôt physique en phase vapeur (PVD) (pression 7,0 × 10⁻⁵ Pa) à travers un masque d'ombre. L'épaisseur des électrodes Al était d'environ 100 nm mesurée par oscillateur à quartz pendant le dépôt. La surface effective du dispositif était de 1,5 mm². La Fig. 1a et b illustrent les procédés de pulvérisation cathodique et recuit au four. La Fig. 1c et d montrent les films GeTe tels que déposés et recuits.

a Pulvérisation cathodique magnétron du film GeTe sur substrat Si. b Recuit post-déposition du film GeTe. c-d Images optiques des films GeTe tels que déposés et recuits sur substrat quartz. e-f Images MET et patrons FFT (encart) du film GeTe recuit. g Profils de lignes des franges de réseau des plans cristallins (202) et (220) (panneaux haut et bas). h-j Diagrammes schématiques des structures cristallines.

Résultats et discussion

Les images MET à haute résolution (HRTEM) du film GeTe recuit sont montrées Fig. 1e et f. Les encarts montrent les patrons de transformée de Fourier rapide (FFT) du film GeTe. Les indices des plans cristallins sont indiqués. Selon ces résultats, le film GeTe recuit présente une bonne cristallinité. La Fig. 1g montre les profils de lignes des franges de réseau de Fig. 1e et f. Les profils haut et bas correspondent aux plans (202) et (220) du film GeTe, avec une séparation de franges de 0,294 et 0,209 nm respectivement. Le diagramme schématique du réseau GeTe est illustré Fig. 1h. Fig. 1i et j montrent les modèles de plans cristallins GeTe observés Fig. 1e et f.

La spectroscopie Raman a été réalisée pour étudier la structure des films GeTe avant et après recuit avec un microscope Raman Renishaw inVia équipé d'un laser argon-ion à longueur d'onde d'excitation 514 nm. Fig. 2a et b montrent les spectres Raman normalisés des films GeTe tels que déposés et recuits. Les résultats concordent bien avec la littérature. Trois bandes distinctes entre 100 et 300 cm⁻¹ (Fig. 2a) à 124,8, 161,8 et 223,5 cm⁻¹ (bandes B, C, D). Après recuit, réduction significative de la bande D et apparition de la bande A à 108,1 cm⁻¹ (Fig. 2b). Bandes B, C, D décalées vers le rouge de 1,1, 5,3 et 21,9 cm⁻¹. Attribué à la transformation structurale du film GeTe réduisant le degré de désordre (ex: ratio interactions intermoléculaires/intramoléculaires).

a-b Spectres Raman normalisés des films GeTe avant et après recuit. c Spectres d'absorption UV-Vis-NIR des films GeTe avant et après recuit. (Encart) α² vs énergie photonique (hν) des deux films. d Image optique du film GeTe recuit pour mesure AFM. e Image AFM et profils de ligne (encart) pour mesure épaisseur film GeTe recuit. f Spectres DRX des films GeTe avant et après recuit. g-i Spectres XPS des niveaux de cœur Ge 2p, Ge 3d, Te 3d du film GeTe recuit.

Pour étudier les propriétés optiques des films GeTe avant et après recuit, la spectroscopie d'absorption UV-Vis-NIR a été réalisée avec un spectromètre Horiba iHR 320. Fig. 2c montre les spectres d'absorption des deux films. Un pic d'absorption à 600 nm apparait après recuit. Le coefficient d'absorption du film GeTe recuit était significativement plus grand que celui du film non recuit. Une tendance décroissante du coefficient d'absorption observée pour l'augmentation de la longueur d'onde dans la bande infrarouge. L'énergie de bande interdite (E_g) des films peut être déterminée par :

$$ \alpha^2(h\nu) = C(h\nu - E_g) $$ (1)

où hν = énergie photon incidente, α = coefficient d'absorption optique associé à hν, C = constante. La bande interdite optique directe des films GeTe peut être estimée à partir de la courbe α² vs énergie photonique (hv) (encart Fig. 2c). Elle varie selon conditions expérimentales et modèles théoriques. Dans ce travail, E_g estimé des films GeTe avant et après recuit : 0,85 et 0,70 eV. Accord avec travaux précédents : ~0,85 eV pour GeTe amorphe, ~0,73-0,95 eV pour cristallin. Réduction de E_g après recuit due à l'ordre à longue portée du réseau.

La microscopie à force atomique (AFM) a déterminé l'épaisseur des films (SPA-400). Masque photorésisté pour préparation échantillon AFM. Fig. 2d montre image optique échantillon préparé avec frontière nette film GeTe/substrat. Fig. 2e révèle épaisseur film 33 ± 1,5 nm sur substrats Si après recuit. Le recuit a peu d'effet sur la rugosité quadratique moyenne (RMS) : RMS diminuée de 2,1 nm (GeTe tel que déposé) à 1,4 nm (GeTe recuit).

L'effet du recuit sur la structure des nanofilm GeTe étudié par diffraction des rayons X (DRX). Fig. 2f montre spectres DRX GeTe tel que déposé (bleu) et recuit (rouge). Deux pics de diffraction forts à 29,9° et 43,2° correspondant aux plans (202) et (220) apparaissent après recuit. Deux pics faibles à 26,0° et 53,5° pour plans (021) et (042) aussi présents. Combiné aux résultats MET, le nanofilm GeTe s'ordonne préférentiellement le long des plans (220) et (202) durant le recuit. Comparé aux films GeTe tels que déposés, le GeTe recuit a un changement drastique de phase cristalline ; la différence des propriétés optiques liées à la structure (spectres d'absorption) montrée Fig. 2f et c.

Composition élémentaire et liaisons chimiques en surface des nanofilm GeTe recuits étudiées par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) avec rayonnement AlKα 1486,6 eV. Spectres XPS Ge 2p, Ge 3d, Te 3d niveaux de cœur (Fig. 2g, h, i). Ge 2p : doublet Ge 2p₃/₂ (1220,1 eV) et Ge 2p₁/₂ (1251,1 eV). Ge 3d : deux composants Ge-Te (30,0 eV) et Ge-O (32,8 eV). Te 3d : composants Ge-Te, Te-O, Te-Te. Pics Te-O (Te⁴⁺) à 576,5 eV (Te 3d₅/₂) et 587,0 eV (Te 3d₃/₂) associés à TeO₂. Ge 3d et Te 3d présentent composants oxygénés ; pas de composant oxygéné au niveau Ge 2p (profondeur pénétration plus grande). GeO₂ et TeO₂ absents DRX et MET, suggérant oxydation Ge et Te localisée en surface par oxygène atmosphérique pendant transfert et recuit, couche d'oxyde très mince. De plus, films GeTe recuits étudiés par mesure Hall : conduction type p révélée.

Un prototype détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si a été fabriqué pour explorer l'utilisation du matériau en optoélectronique. Procédés fabrication illustrés Fig. 3a. Fig. 3b structure du photodétecteur. Épaisseur film GeTe et électrodes Al : 33 et 100 nm. Fig. 3c et d temps de réponse. Temps de montée (t_R) : temps pour courant passer de 10 à 90 % pic ; temps de décroissance (t_D) : 90 à 10 %. Montée et descente symétriques, temps réponse (τ) = 134 ms (ex: (t_R + t_D)/2).

a Diagrammes schématiques processus fabrication détecteur photovoltaïque hétérojonction p-GeTe/n-Si et b structure dispositif. c-d Photoréponse temporelle dispositif. e log(J)-V caractéristiques détecteur photovoltaïque obscurité (noir) et différentes densités d'irradiation (couleurs). f-g Caractéristiques R (responsivité)-V et D* (détectivité)-V détecteur photovoltaïque.

Photoréponse évaluée mesures J-V avec Keithley 2400 sourcemeter sous illumination. Caractéristiques log J vs V dispositif irradié λ = 850 nm à densités 20, 53, 90 μW cm⁻² et obscurité à température ambiante (Fig. 3e). La tension correspondant à la valeur minimale de J_opt (densité photocourant) dévie de 0,1 V de celle de J_D (densité courant obscur) vers biais positif, tension photogénique générée sous illumination. L'hétérojonction p-GeTe/n-Si démontre son potentiel en détection infrarouge.

Deux figures de mérite importantes : responsivité (R) et détectivité (D*), déterminées par :

$$ R = \frac{I_p}{A P_{opt}} $$ (2) $$ D^* = \frac{R \sqrt{A}}{\sqrt{2q |I_d|}} $$ (3)

où I_p = photocourant = |courant irradiation - courant obscurité|, A = surface effective, P_opt = puissance optique incidente, I_d = courant obscurité, q = charge élémentaire (1,6 × 10⁻¹⁹ C).

Valeurs R et D* : 6-15 A/W et 1-8 × 10¹¹ Jones (1 Jones = 1 cm Hz¹ᐟ² W⁻¹) (Fig. 3f, g). Dispositif évalué température ambiante, non encapsulé, sans optimisation. Tableau 1 liste responsivité et détectivité de photodétecteurs infrarouges basés hétérojonction chalcogénure/Si ; GeTe/Si montre performance relativement plus haute à température ambiante, peut-être dû au grand coefficient d'absorption et bande interdite directe du GeTe.

Conclusions

Des nanofilm GeTe cristallins ont été produits par pulvérisation cathodique magnétron et recuit post-déposition. Les propriétés physiques, électroniques et optiques avant et après recuit ont été étudiées. Après recuit à 360 °C, le nanofilm révèle un ordre à longue portée et énergie de bande interdite de 0,70 eV. Détecteur photovoltaïque basé sur l'hétérojonction p-GeTe/n-Si fabriqué et démontrant photoréponse à 850 nm avec R élevée 6-15 A/W et D* 1-8 × 10¹¹ Jones, temps réponse 134 ms. L'utilisation de l'hétérojonction p-GeTe/n-Si en détection infrarouge est démontrée. Potentiel énorme d'intégration avec d'autres domaines : calcul et stockage de données.

Disponibilité des données et matériaux

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

Abréviations

PVD :

Dépôt physique en phase vapeur

MET :

Microscope électronique à transmission

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

FFT :

Transformée de Fourier rapide

AFM :

Microscope à force atomique

DRX :

Diffractomètre à rayons X

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X