Высокопроизводительный инфракрасный фотоэлектрический детектор комнатной температуры на гетероструктуре p-GeTe/n-Si

Аннотация

GeTe — важный полупроводник с узким запрещенным поясом, находивший применение в областях фазовой памяти и спинтронных устройств. Однако его не изучали для применения в области инфракрасных фотоэлектрических детекторов, работающих при комнатной температуре. В данной работе нанопленки GeTe выросли методом магнетронного спуттеринга и были охарактеризованы для изучения их физических, электрических и оптических свойств. Продемонстрирован высокопроизводительный инфракрасный фотоэлектрический детектор на основе гетероструктуры GeTe/Si с детектирующей способностью 8 × 10¹¹ Джонс при облучении светом 850 нм при комнатной температуре.

Предыстория

Существует большой интерес к инфракрасным детекторам בשל их множества потенциальных применений в ночном видении, безопасности, дистанционном зондировании, инспекции пищевых продуктов, биологии и других областях [1,2,3]. Как правило, фотоэлектрические инфракрасные детекторы используют эффекты меньшинностных носителей заряда, что обеспечивает короткое время отклика, идеальное для изображений и сенсирования. Детекторы на основе HgCdTe хорошо разработаны [4, 5]. Однако несоответствие решеток HgCdTe и Si не позволяет интегрировать блоки детектирования и обработки данных, что приводит к дорогостоящим системам и препятствует миниатюризации технологии.

Ведется много исследовательской деятельности по разработке различных гетероструктур на основе двухмерных материалов, выращенных на разных подложках [6,7,8,9]. Полученные гетероструктуры зависят от взаимодействия ван-дер-Ваальса [10], и не требуется согласование решеток различных материалов.

Материал GeTe привлекл обширное внимание в последние годы [11,12,13,14,15]. Его рассматривают как сильного претендента на технологию памяти следующего поколения, поскольку материал проявляет различные физические, электрические и оптические свойства в аморфном и кристаллическом фазах [16,17,18,19,20,21]. GeTe также можно превратить в разбавленный магнитный полупроводник, что является важным материалом для спинтронных устройств [15, 22, 23]. Если уникальные свойства хранения и вычислений GeTe можно интегрировать для разработки новых устройств, это приведет к значительному прогрессу в вычислительной технологии.

Кроме того, возможность разработки фотоэлектрического детектора на основе двухмерного GeTe и гетероструктуры Si приведет к прорывной технологии благодаря их совместимости с Si-схемами и процессами спинтронных устройств на базе GeTe. Это обеспечит бесшовное и быстрое подключение фотоэлектрических детекторов в области вычислений в будущем. Важно, что технология подходит для миниатюризации при низкой стоимости.

В данной работе p-типа нанопленки GeTe подготавливали методом магнетронного спуттеринга и отжига. Исследовали физические, электронные и оптические свойства нанопленок. Наконец, изготовили фотоэлектрический детектор на основе p-GeTe/n-Si гетероструктуры и охарактеризовали его производительность.

Методы

Устройство изготавливали следующими процессами. Во-первых, n-типа монохрусталлический кремний (Si) подложка очищали химическим методом в смешанном растворе, содержащем H₂O : H₂O₂ : NH₃∙H₂O (3:1:1) при 80 °C в течение 30 мин и сушили под воздушным потоком. Пленка GeTe затем осаждали магнетронным спуттерингом непосредственно на очищенную подложку при давлении 5 Па в течение 120 с из начального вакуума 6,0 × 10⁻⁴ Па. Затем пленку завертывали в медную фольгу и отжигали в вакуумной печи при 360 °C в течение 10 мин. Метод отжига основывался на предварительных экспериментах и ранее сообщаемой температуре фазового перехода материала в литературе [18, 24,25,26]. Наконец, пару алюминиевых (Al) электродов осаждали на пленке GeTe и подложке Si методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) (при давлении 7,0 × 10⁻⁵ Па) через теневую маску. Толщина Al электродов составляла примерно 100 нм, измеренная кварцевым осциллятором во время осаждения. Эффективная площадь устройства составляла 1,5 мм². Рис. 1a и b иллюстрируют процессы магнетронного спуттеринга и печного отжига соответственно. Рис. 1c и d показывают наноселенные и отожженные пленки GeTe соответственно.

a Магнетронный спуттеринг пленки GeTe на подложке Si. b Последующий отжиг пленки GeTe. c Оптические изображения наноселенных и d отожженных пленок GeTe на кварцевой подложке. e–f TEM-изображения и FFT-паттерны (внутри) отожженной пленки GeTe. g Профили линий решетчатых периодов (202) и (220) кристаллических плоскостей, показанные на верхней и нижней панелях соответственно. h–j Схематические диаграммы кристаллических структур

Результаты и обсуждение

Высокоразрешающие передаточной электронной микроскопии (HRTEM) изображения отожженной пленки GeTe показаны на рис. 1e и f. Внутри показаны паттерны быстрого преобразования Фурье (FFT) пленки GeTe. Индексы кристаллических плоскостей указаны на изображениях. Согласно этим результатам, отожженная пленка GeTe демонстрировала хорошую кристалличность. Рис. 1g показывает профили линий решетчатых периодов, показанных на рис. 1e и f. Верхние и нижние профили линий на рис. 1g соответствуют кристаллическим плоскостям (202) и (220) пленки GeTe, которые имеют расстояние решетчатых периодов 0,294 и 0,209 нм соответственно. Схематическая диаграмма решетчатой структуры GeTe показана на рис. 1h. Рис. 1i и j показывают модели кристаллических плоскостей GeTe, наблюдаемые на рис. 1e и f соответственно.

Рамановская спектроскопия выполняли для изучения структуры пленок GeTe до и после отжига с помощью микроскопа Renishaw inVia Raman с аргон-ионным лазером с длиной волны возбуждения 514 нм. Рис. 2a и b показывают нормализованные Рамановские спектры наноселенных и отожженных пленок GeTe соответственно. Результаты в хорошем согласии с литературой [27, 28]. Было три характерных полосы между 100 и 300 см⁻¹, как показано на рис. 2a. Эти полосы находились на 124,8, 161,8 и 223,5 см⁻¹, а именно полосы B, C и D соответственно. После отжига наблюдалось значительное уменьшение полосы D и появление полосы A на 108,1 см⁻¹, как показано на рис. 2b. Полосы B, C и D также краснели на 1,1, 5,3 и 21,9 см⁻¹ соответственно. Это атрибутируется структурной трансформации пленки GeTe, результатирующей в снижении степени беспорядка (например, соотношения межмолекулярных к внутримолекулярным взаимодействиям) [27].

a–b Нормализованные Рамановские спектры пленок GeTe до и после отжига соответственно. c UV-Vis-NIR поглощения пленок GeTe до и после отжига. (Внутрь) График α² versus фотонная энергия (hν) двух пленок GeTe. d Оптические изображения отожженной пленки GeTe для AFM измерений. e AFM-изображение и профили линий (внутри) для измерения толщины отожженной пленки GeTe. f XRD спектры пленок GeTe до и после отжига. g–i XPS спектры ядерных уровней Ge 2p, Ge 3d и Te 3d отожженной пленки GeTe

Для исследования оптических свойств пленок GeTe до и после отжига выполняли UV-Vis-NIR спектроскопию поглощения с помощью спектрометра Horiba iHR 320. Рис. 2c показывает UV-Vis-NIR спектры поглощения, полученные от обеих пленок. Пик поглощения при 600 нм был очевиден после отжига. Коэффициент поглощения отожженной пленки GeTe был значительно больше, чем у неотожженной пленки. Кроме того, наблюдалась нисходящая тенденция коэффициента поглощения при увеличении длины волны в инфракрасном диапазоне. Энергия запрещенной зоны (E_g) пленок можно определить, используя следующие формулы [29, 30]:

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

где hν — энергия падающего фотона, α — оптический коэффициент поглощения, ассоциированный с hν, а C — постоянная. Прямая оптическая запрещенная зона пленок GeTe может быть оценена из кривой α² vs. фотонная энергия (hv), как показано во вставке рис. 2c. Она может сильно варьироваться в зависимости от экспериментальных условий и теоретических моделей [31]. В данной работе оцененные E_g пленок GeTe до и после отжига составляли 0,85 и 0,70 эВ соответственно. Это в хорошем согласии с предыдущими работами других, которые сообщали об оптической запрещенной зоне ~ 0,85 эВ для аморфной пленки GeTe и ~ 0,73–0,95 эВ для кристаллической пленки [32]. Сообщалось о снижении E_g после отжига из-за дальнего порядка решетки.

Атомно-силовая микроскопия (AFM) проводили для определения толщины пленок с помощью AFM (SPA-400). Фоторезистная маска использовали для подготовки образца для AFM измерений. Рис. 2d показывает оптическое изображение подготовленного образца для AFM с явной границей между пленкой GeTe и подложкой. Рис. 2e показывает толщину пленки 33 ± 1,5 нм на подложках Si после отжига. Отжиг слабо влияет на среднеквадратичную (RMS) шероховатость поверхности тонких пленок GeTe; RMS шероховатость снизилась с 2,1 нм (наноселенная GeTe) до 1,4 нм (отожженная GeTe).

Влияние отжига на структуру нанопленок GeTe дополнительно изучали рентгеновской дифракцией (XRD). Рис. 2f показывает XRD спектры наноселенной (синий) и отожженной (красный) нанопленок GeTe. Две сильные дифракционные пики при 29,9° и 43,2°, соответствующие решетчатым плоскостям (202) и (220) соответственно, появились после отжига. Кроме того, два слабых дифракционных пика при 26,0° и 53,5°, соответствующие решетчатым плоскостям (021) и (042) соответственно, также появились в спектре. В сочетании с вышеприведенными результатами TEM, очевидно, что нанопленка GeTe преференциально упорядочивалась вдоль решетчатых плоскостей (220) и (202) в процессе отжига. По сравнению с наноселенными пленками GeTe, отожженная GeTe имеет резкую смену кристаллической фазы; разница в структурно-связанных оптические свойствах (спектры поглощения) показана на рис. 2f и c.

Элементный состав и химические связи на поверхности отожженных нанопленок GeTe изучали рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS) с использованием AlKα излучения с энергией 1486,6 эВ. XPS спектры ядерных уровней Ge 2p, Ge 3d и Te 3d отожженной пленки GeTe показаны на рис. 2g, h и i соответственно. Ядерный уровень Ge 2p состоял в основном из дублета Ge 2p_3/2 (1220,1 эВ) и Ge 2p_1/2 (1251,1 эВ). Ядерный уровень Ge 3d был деконволютирован на две компоненты: Ge-Te и Ge-O при энергии связи 30,0 и 32,8 эВ соответственно. Ядерный уровень Te 3d состоял из компонент Ge-Te, Te-O и Te-Te. Пики Te-O (Te⁴⁺) при 576,5 эВ (Te 3d_5/2) и 587,0 эВ (Te 3d_3/2) на рис. 2i ассоциировались с TeO₂ [33, 34]. И ядерные уровни Ge 3d, и Te 3d отожженной нанопленки GeTe демонстрировали кислород-связанные компоненты, как показано на рис. 2h и i соответственно. Однако не было кислород-связанной компоненты на ядерном уровне Ge 2p, который был на большей глубине проникновения, как показано на рис. 2g. Кроме того, GeO₂ и TeO₂ отсутствовали в XRD и TEM характеристиках, следовательно, это указывает на то, что окисление атомов Ge и Te в основном локализовано на поверхности пленки атмосферным кислородом во время переноса и процессов отжига [34] и оксидный слой был очень тонким. Кроме того, отожженные пленки GeTe изучали методом Холла, который выявил p-тип проводимости.

Прототип фотоэлектрического детектора на основе p-GeTe/n-Si гетероструктуры был изготовлен для изучения использования материала в области оптоэлектроники. Процессы изготовления устройства иллюстрированы на рис. 3a. Рис. 3b изображает структуру фото детектора. Толщина пленки GeTe и Al электродов составляла 33 и 100 нм соответственно. Рис. 3c и d показывают время отклика устройства. Время нарастания (t_R) определяется как время, за которое ток увеличивается от 10 до 90% пика, а время спада (t_D) — время, за которое ток уменьшается от 90 до 10%. Как показано, время нарастания и спада были симметричны с временем отклика (τ) 134 мс (например, (t_R + t_D)/2).

a Схематические диаграммы, иллюстрирующие процесс изготовления фотоэлектрического детектора на основе p-GeTe/n-Si гетероструктуры и b структура устройства. c–d Временной фотоответ устройства. e Графики log(J)-V характеристик фотоэлектрического детектора в темноте (черная линия) и при разных плотностях облучения (цветные линии). f Графики R (чувствительность)-V и g D^* (детектирующая способность)-V характеристик фотоэлектрического детектора

Фотоответ устройства оценивали из J-V измерений с помощью Keithley 2400 sourcemeter под светооблучением. Логарифмические J vs. V характеристики устройства, облученного светом λ = 850 нм при разных плотностях 20, 53 и 90 мкВт см⁻² и в темновом условии при комнатной температуре показаны на рис. 3e. Видно из рис. 3e, что напряжение, соответствующее минимальному значению J_opt (т.е. плотности фототока), отклонялось на 0,1 В от напряжения, соответствующего минимальному значению J_D (т.е. плотности темнового тока) в направлении положительного смещения, и что фотогенерируемое напряжение возникало под светооблучением. Следовательно, p-GeTe/n-Si гетероструктура продемонстрировала свой потенциал для применения в инфракрасном детектировании.

Две важные метрики для фото детектора, такие как чувствительность (R) и детектирующая способность (D^*), определяли с помощью следующих уравнений [35, 36]:

$$ R = \frac{I_p}{A P_{opt}} $$ (2)

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

где I_p — фотокток, равный абсолютному значению тока под облучением за вычетом тока в темноте, A — эффективная площадь устройства, P_opt — падающая оптическая мощность, I_d — темновой ток, а q — элементарный заряд (1,6 × 10⁻¹⁹ Кл).

Значения R и D^* составляли 6–15 А/Вт и 1–8 × 10¹¹ Джонс (1 Джонс = 1 см Гц^1/2 Вт⁻¹) соответственно, полученные из рис. 3f и g. Устройство оценивали при комнатной температуре, не в корпусе и без оптимизации. Таблица 1 приводит чувствительность и детектирующую способность некоторых инфракрасных фото детекторов на основе халькогенид/Si гетероструктур; видно, что GeTe/Si показывает относительно более высокую производительность при комнатной температуре, что, возможно, связано с большим коэффициентом поглощения и прямой запрещенной зоной GeTe.

Заключение

Кристаллические нанопленки GeTe были получены магнетронным спуттерингом и последующим отжигом. Физические, электронные и оптические свойства нанопленок до и после отжига были изучены. После отжига при 360 °C нанопленка раскрыла дальний порядок и энергию запрещенной зоны 0,70 эВ. Фотоэлектрический детектор на основе p-GeTe/n-Si гетероструктуры был изготовлен и продемонстрировал фотоответ при облучении 850 нм, показывая высокую R 6–15 А/Вт и D* 1–8 × 10¹¹ Джонс с временем отклика 134 мс. Таким образом, использование p-GeTe/n-Si гетероструктуры в инфракрасном детектировании было продемонстрировано в данной работе. Оно имеет огромный потенциал для интеграции с другими областями, такими как вычисления и хранение данных.

Доступность данных и материалов

Выводы, сделанные в данной рукописи, основаны на данных (основной текст и фигуры), представленных и показанных в данной статье.

Аббревиатуры

PVD:

Физическое осаждение из паровой фазы

TEM:

Передаточный электронный микроскоп

HRTEM:

Высокоразрешающий передаточный электронный микроскоп

FFT:

Быстрое преобразование Фурье

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия