p-GeTe/n-Si 이종접합 기반 적외선 광전지 검출기

결과 및 토론

어닐링된 GeTe 필름의 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지가 그림 1e 및 f에 나와 있습니다. 삽입된 그림은 GeT 필름의 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴을 보여줍니다. 결정면의 인덱스는 이미지에 표시됩니다. 이러한 결과에 따르면, 어닐링된 GeT 필름은 우수한 결정성을 나타내었다. 그림 1g는 그림 1e와 f에 표시된 격자 무늬의 선 프로파일을 보여줍니다. 그림 1g의 상단 및 하단 라인 프로파일은 각각 0.294 및 0.209 nm의 격자 무늬 분리를 갖는 GeTe 필름의 (202) 및 (220) 결정 평면에 해당합니다. GeTe 격자 구조의 개략도는 그림 1h에 나와 있습니다. 그림 1i 및 j는 각각 그림 1e 및 f에서 관찰된 GeTe의 결정 평면 모델을 보여줍니다.

514 nm의 여기 파장에서 작동하는 아르곤 이온 레이저가 장착된 Renishaw inVia Raman 현미경을 사용하여 열처리 전과 후에 GeTe 필름의 구조를 연구하기 위해 라만 분광법을 수행했습니다. 그림 2a 및 b는 각각 증착된 상태 및 어닐링된 GeTe 필름의 정규화된 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 결과는 문헌[27, 28]과 잘 일치합니다. 100에서 300 cm ⁻¹ 사이에 3개의 독특한 밴드가 있었습니다. 도 2a에 도시된 바와 같이. 이 밴드는 124.8, 161.8 및 223.5 cm ⁻¹ 에 위치했습니다. , 즉, 각각 B, C 및 D 대역입니다. 어닐링 후 밴드 D의 상당한 감소가 있었고 108.1 cm ^-1 에 위치한 밴드 A의 출현도 있었습니다. 도 2b에 도시된 바와 같이. 밴드 B, C 및 D도 1.1, 5.3 및 21.9 cm ⁻¹ 만큼 적색 편이되었습니다. , 각각. 이는 무질서의 정도(예:분자간 상호작용 대 분자내 상호작용의 비율)를 감소시키는 GeT 필름의 구조적 변형에 기인합니다[27].

아 –b 어닐링 전과 후 각각의 GeTe 필름의 정규화된 라만 스펙트럼. ㄷ 어닐링 전후의 GeTe 필름의 UV-Vis-NIR 흡수 스펙트럼. (삽입) α의 플롯 ² 대 광자 에너지(hν ) 두 개의 GeTe 필름 중. d AFM 측정을 위한 열처리된 GeTe 필름의 광학 이미지. 이 어닐링된 GeTe 필름의 두께 측정을 위한 AFM 이미지 및 라인 프로파일(삽입). 에 어닐링 전후의 GeTe 필름의 XRD 스펙트럼. 지 –나 열처리된 GeTe 필름의 Ge 2p, Ge 3d 및 Te 3d 코어 레벨의 XPS 스펙트럼

어닐링 전후의 GeTe 필름의 광학적 특성을 조사하기 위해 Horiba iHR 320 분광계를 사용하여 UV-Vis-NIR 흡수 분광법을 수행했습니다. 그림 2c는 두 필름에서 얻은 UV-Vis-NIR 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 600 nm에서 흡수 피크는 어닐링 후에 명백했습니다. 어닐링된 GeTe 필름의 흡수 계수는 어닐링되지 않은 필름의 흡수 계수보다 훨씬 컸습니다. 또한, 적외선 대역에서 파장이 증가할수록 흡수계수가 감소하는 경향이 관찰되었다. 밴드갭 에너지(E _g )는 다음 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다[29, 30]:

여기서 hv 입사 광자의 에너지, α 는 hν와 관련된 광흡수 계수입니다. , 및 C 상수입니다. GeTe 필름의 직접적인 광학 밴드갭은 α 곡선에서 추정할 수 있습니다. ² 대 광자 에너지(hv ) 그림 2c의 삽입에 표시된 대로. 실험 조건과 이론 모델에 따라 크게 달라질 수 있다[31]. 이 작업에서 추정된 E _g 어닐링 전과 후의 GeTe 필름의 값은 각각 0.85 및 0.70 eV였습니다. 이것은 비정질 GeTe 필름의 경우 ~ 0.85 eV, 결정질 필름의 경우 ~ 0.73–0.95 eV의 광학 밴드갭을 보고한 다른 사람들이 수행한 이전 작업과 잘 일치합니다[32]. E 감소 _g 격자의 장거리 정렬 때문에 어닐링 후에 보고되었습니다.

AFM(SPA-400)을 사용하여 필름의 두께를 측정하기 위해 AFM(Atomic Force Microscopy)을 수행했습니다. 포토레지스트 마스크는 AFM 측정을 위한 샘플을 준비하는 데 사용되었습니다. 그림 2d는 GeTe 필름과 기판 사이에 분명한 경계가 있는 AFM용으로 준비된 샘플의 광학 이미지를 보여줍니다. 그림 2e는 어닐링 후 Si 기판에서 33 ± 1.5 nm의 막 두께를 보여줍니다. 어닐링은 GeTe 박막의 RMS(root-mean-square) 표면 거칠기에 약간의 영향을 미칩니다. RMS 표면 거칠기가 2.1 nm(증착된 GeTe)에서 1.4 nm(어닐링된 GeTe)로 감소했습니다.

GeTe 나노필름의 구조에 대한 어닐링의 효과는 X선 회절(XRD)을 사용하여 추가로 조사되었습니다. 그림 2f는 증착된 상태(파란색) 및 어닐링된(빨간색) GeTe 나노필름의 XRD 스펙트럼을 보여줍니다. 각각 (202) 및 (220) 격자 평면에 해당하는 29.9° 및 43.2°에서 두 개의 강한 회절 피크가 어닐링 후에 나타났습니다. 또한 각각 (021) 및 (042) 격자면에 해당하는 26.0° 및 53.5°에서 두 개의 약한 회절 피크가 스펙트럼에 나타났습니다. 위의 TEM 결과와 결합할 때, GeTe 나노필름은 어닐링 과정 동안 (220) 및 (202) 격자 평면을 따라 우선적으로 정렬된다는 것이 분명합니다. 증착된 상태의 GeTe 필름과 비교하여 어닐링된 GeTe는 결정상의 급격한 변화를 보입니다. 구조 관련 광학 특성(흡수 스펙트럼)의 차이는 그림 2f 및 c에 나와 있습니다.

열처리된 GeTe 나노필름 표면의 원소 조성과 화학 결합은 1486.6 eV 에너지의 AlKα 방사선을 사용하는 X선 광전자 분광법(XPS)으로 연구되었습니다. 어닐링된 GeTe 필름의 Ge 2p, Ge 3d 및 Te 3d 코어 레벨 피크의 XPS 스펙트럼은 각각 그림 2g, h 및 i에 나와 있습니다. Ge 2p 코어 레벨은 주로 Ge 2p_3/2로 구성되었습니다. (1220.1 eV) 및 Ge 2p_1/2 (1251.1 eV) 이중선 피크. Ge 3d 코어 레벨은 각각 30.0 및 32.8 eV의 결합 에너지에서 Ge-Te 및 Ge-O의 두 가지 구성 요소로 분해되었습니다. Te 3d 코어 레벨은 Ge-Te, Te-O 및 Te-Te 구성 요소로 구성됩니다. Te-O(Te ⁴⁺ ) 576.5 eV에서 피크(Te 3d_5/2) ) 및 587.0 eV(Te 3d_3/2 ) 그림 2i에서 TeO₂ [33, 34]. 어닐링된 GeTe 나노필름의 Ge 3d 및 Te 3d 코어 레벨은 각각 그림 2h 및 i에 표시된 것처럼 산소 관련 성분을 나타냅니다. 그러나 그림 2g와 같이 침투 깊이가 더 깊은 Ge 2p 코어 레벨에서는 산소 관련 성분이 없었습니다. 또한, GeO₂ 및 TeO₂ 이는 XRD 및 TEM 특성화에서 나타나지 않았으므로 Ge 및 Te 원자의 산화가 전사 및 어닐링 프로세스 동안 대기 산소에 의해 필름 표면에 주로 국부화되었고 [34] 산화물 층이 매우 얇음을 시사합니다. 또한, 열처리된 GeTe 필름을 홀 측정으로 조사하여 p형 전도도를 나타냈습니다.

p-GeTe/n-Si 이종접합에 기반한 프로토타입 광전지 검출기는 광전자공학 분야에서 재료의 사용을 탐구하기 위해 제작되었습니다. 장치 제조 공정은 그림 3a에 나와 있습니다. 그림 3b는 광검출기의 구조를 보여줍니다. GeTe 막과 Al 전극의 두께는 각각 33과 100 nm였다. 그림 3c와 d는 장치의 응답 시간을 보여줍니다. 상승 시간(t _R )은 전류가 피크의 10%에서 90%로 증가하는 데 걸리는 시간으로 정의되는 반면 감쇠 시간(t _D )은 전류가 90%에서 10%로 감소하는 데 걸리는 시간입니다. 도시된 바와 같이 상승 및 하강 시간은 134 ms의 응답 시간(τ)으로 대칭적이었습니다(예:(t_R + t_D )/2).

아 p-GeTe/n-Si 이종접합 및 b를 기반으로 하는 광전지 검출기의 제조 공정을 보여주는 개략도 장치 구조. ㄷ –d 장치의 시간적 광반응. 이 log(J의 플롯 )-V 어두운 곳(검은색 선)과 다른 조사 밀도(색선)에서 광전지 검출기의 특성. 에 R의 플롯 (반응성)-V 및 g 디 ^* (탐지력)-V 광전지 검출기의 특성

장치의 광반응은 J에서 평가되었습니다. -V 조명 아래에서 Keithley 2400 소스미터를 사용한 측정. 로그 J 대 V λ에 의해 조사된 장치의 특성 =20, 53 및 90 μW cm ⁻² 의 서로 다른 밀도에서 850 nm 빛 상온에서 수행된 암 조건 하에서 수행된 결과는 그림 3e에 나와 있습니다. J의 최소값에 해당하는 전압은 Fig. 3e에서 알 수 있다. _선택 (즉, 광전류 밀도) J의 최소값에 해당하는 전압에서 0.1 V 편차 _디 (즉, 암전류 밀도) 양의 바이어스 방향으로, 그리고 광 조건에서 광 발생 전압이 생성되었음을 알 수 있습니다. 따라서, p-GeTe/n-Si 이종접합은 적외선 감지에 잠재적인 응용을 입증했습니다.

반응성(R ) 및 탐지력(D ^* ), 다음 방정식 [35, 36]을 사용하여 결정되었습니다.

나 _p 광전류는 조사된 전류의 절대값에서 어둠 속에서 이를 뺀 값과 동일한 광전류, A 장치의 유효 영역, P _선택 는 입사광학력, I _d 는 암전류, q 는 단위 전하입니다(1.6 × 10 ⁻¹⁹ 다).

R의 값 그리고 디 ^* 6–15 A/W 및 1–8 × 10 ¹¹ 존스(1 존스 =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) 각각 도 3f 및 g에서 얻은 바와 같다. 장치는 실온에서 포장되지 않은 상태로 최적화되지 않은 상태에서 평가되었습니다. 표 1은 일부 적외선 광검출기 기반 칼코겐화물/Si 이종접합의 반응성과 검출성을 나열합니다. GeTe/Si는 상온에서 상대적으로 더 높은 성능을 보여주는데, 이는 아마도 GeTe의 큰 흡수 계수와 직접 밴드 갭 때문일 수 있습니다.