p-GeTe/n-Si 이종접합 이용 고성능 상온 적외선 광전 검출기

초록

GeTe는 중요한 좁은 밴드갭 반도체 소재로 상변화 메모리 및 스핀트로닉스 소자 분야에 응용되어 왔습니다. 그러나 상온 작동 적외선 광전 검출기 분야 응용은 연구되지 않았습니다. 본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링으로 GeTe 나노박막을 성장시키고 물리적, 전기적, 광학적 특성을 분석했습니다. 850 nm 빛 조사 시 상온에서 검출도 8×10¹¹ Jones를 보이는 GeTe/Si 이종접합 기반 고성능 적외선 광전 검출기를 구현했습니다.

배경

야간 투시 영상, 보안, 원격 감지, 식품 검사, 생물학 등 다양한 잠재 응용으로 적외선 검출기에 큰 관심이 있습니다. 일반적으로 광전 적외선 검출기는 소수 캐리어 효과를 활용해 빠른 응답 시간을 가지며 영상 및 센싱 응용에 이상적입니다. HgCdTe 기반 적외선 검출기는 잘 확립되었으나, HgCdTe와 Si 격자 불일치로 검출과 데이터 처리 장치 통합이 어려워 고비용 시스템을 초래하고 기술 소형화를 저해합니다.

서로 다른 기판 위에 성장시킨 2차원 소재 기반 다양한 이종구조 개발 연구가 활발합니다. 결과 이종구조는 반데르발스 상호작용에 의존해 서로 다른 소재 간 격자 정합이 필요 없습니다.

GeTe 소재는 최근 몇 년간 광범위한 주목을 받고 있습니다. 비정질과 결정 상에서 서로 다른 물리적, 전기적, 광학적 특성을 보여 차세대 메모리 기술 유력 후보로 간주됩니다. GeTe는 희박 자기 반도체로도 제조 가능해 스핀트로닉스 소자 중요 소재입니다. GeTe의 독특한 저장 및 컴퓨팅 특성을 통합해 새로운 소자 개발 시 컴퓨팅 기술 큰 발전 기대됩니다.

또한 2차원 GeTe와 Si 이종접합 기반 광전 검출기 개발은 Si 회로 및 GeTe 기반 스핀트로닉스 소자 공정과 호환되어 혁신적 기술로 이어집니다. 향후 컴퓨팅 분야에서 광전 검출기의 원활하고 빠른 연결을 용이하게 합니다. 중요하게는 저비용 소형화에 적합한 기술입니다.

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링과 어닐링으로 p형 GeTe 나노박막 제조. 나노박막 물리적, 전자적, 광학적 특성 조사. 마지막으로 p-GeTe/n-Si 이종접합 기반 광전 검출기 제작 및 성능 평가.

방법

소자는 다음 공정으로 제작했습니다. 첫째, n형 단결정 실리콘(Si) 기판을 H₂O:H₂O₂:NH₃·H₂O(3:1:1) 혼합 용액으로 80°C에서 30분 화학적 세정 후 공기 흐름 건조. GeTe 박막을 초기 진공 6.0×10⁻⁴ Pa에서 5 Pa 압력으로 120초 마그네트론 스퍼터링해 세정 기판에 직접 증착. 이후 박막을 구리 포일로 감싸 진공 오븐에서 360°C 10분 어닐링. 어닐링 방법은 예비 실험과 문헌 보고 상전이 온도[18, 24-26] 기반. 마지막으로 알루미늄(Al) 전극 쌍을 물리 기상 증착(PVD) 기술(압력 7.0×10⁻⁵ Pa)로 섀도 마스크 통해 GeTe 박막과 Si 기판에 증착. 석영 발진기 측정 시 Al 전극 두께 약 100 nm. 소자 유효 면적 1.5 mm². Fig. 1a, b는 마그네트론 스퍼터링과 오븐 어닐링 공정 예시. Fig. 1c, d는 증착 직후 및 어닐링 후 석영 기판 위 GeTe 박막 광학 이미지.

그림 1. a Si 기판 위 GeTe 박막 마그네트론 스퍼터링. b GeTe 박막 후 어닐링. c 증착 직후, d 어닐링 후 석영 기판 위 GeTe 박막 광학 이미지. e-f 어닐링 GeTe 박막 TEM 영상 및 FFT 패턴(인셋). g 위·아래 패널로 (202), (220) 결정면 격자 무늬 선 프로파일. h-j 결정 구조 개략도

결과 및 고찰

어닐링 GeTe 박막 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 영상 Fig. 1e, f. 인셋은 GeTe 박막 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴. 영상에 결정면 인덱스 표시. 이 결과로 어닐링 GeTe 박막 양호한 결정성 확인. Fig. 1g는 Fig. 1e, f 격자 무늬 선 프로파일. Fig. 1g 위·아래 선 프로파일은 GeTe 박막 (202), (220) 결정면에 대응, 격자 무늬 간격 각각 0.294, 0.209 nm. GeTe 격자 구조 개략도 Fig. 1h. Fig. 1i, j는 Fig. 1e, f 관찰 GeTe 결정면 모델.

어닐링 전후 GeTe 박막 구조 연구 위해 아르곤 이온 레이저(여기 파장 514 nm) 장착 Renishaw inVia 라만 현미경으로 라만 분광 수행. Fig. 2a, b는 증착 직후, 어닐링 GeTe 박막 정규화 라만 스펙트럼. 문헌[27, 28]과 잘 일치. Fig. 2a에서 100-300 cm⁻¹ 사이 세 뚜렷한 밴드: 124.8, 161.8, 223.5 cm⁻¹ 각각 밴드 B, C, D. 어닐링 후 밴드 D 현저 감소, 108.1 cm⁻¹ 밴드 A 출현(Fig. 2b). 밴드 B, C, D 각각 1.1, 5.3, 21.9 cm⁻¹ 적색 편이. 이는 GeTe 박막 구조 변환에 기인, 무질서도 감소(예: 분자간/분자내 상호작용 비율 감소)[27].

그림 2. a-b 어닐링 전후 GeTe 박막 정규화 라만 스펙트럼. c GeTe 박막 어닐링 전후 UV-Vis-NIR 흡수 스펙트럼. (인셋) 두 GeTe 박막 흡수 계수 α² 대 광자 에너지(hν) 플롯. d AFM 측정용 어닐링 GeTe 박막 광학 이미지. e AFM 이미지 및 선 프로파일(인셋)로 어닐링 GeTe 박막 두께 측정. f 어닐링 전후 GeTe 박막 XRD 스펙트럼. g-i 어닐링 GeTe 박막 Ge 2p, Ge 3d, Te 3d 코어 레벨 XPS 스펙트럼

어닐링 전후 GeTe 박막 광학적 특성 조사 위해 Horiba iHR 320 분광기로 UV-Vis-NIR 흡수 분광 수행. Fig. 2c에 두 박막 흡수 스펙트럼. 어닐링 후 600 nm 흡수 피크 명확. 어닐링 GeTe 박막 흡수 계수가 비어닐링 박막보다 현저히 큼. 적외선 대역에서 파장 증가에 따라 흡수 계수 감소 경향. 박막 밴드갭 에너지(E_g) 다음 공식[29, 30]으로 결정:

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

여기서 hν는 입사 광자 에너지, α는 hν 연관 광흡수 계수, C는 상수. Fig. 2c 인셋 α² 대 광자 에너지(hν) 곡선에서 GeTe 박막 직접 광학 밴드갭 추정. 실험 조건과 이론 모델에 따라 크게 달라질 수 있음[31]. 본 연구에서 어닐링 전후 GeTe 박막 추정 E_g 각각 0.85, 0.70 eV. 비정질 GeTe 박막 ~0.85 eV, 결정질 박막 ~0.73-0.95 eV 보고[32]와 잘 일치. 장거리 격자 정렬로 어닐링 후 E_g 감소 보고됨.

원자간력 현미경(AFM, SPA-400)으로 박막 두께 측정. 포토레지스트 마스크로 AFM 시료 준비. Fig. 2d에 GeTe 박막과 기판 간 명확 경계 보이는 AFM용 시료 광학 이미지. Fig. 2e 어닐링 후 Si 기판 위 박막 두께 33 ± 1.5 nm 나타냄. 어닐링은 GeTe 박막 근방평균제곱(RMS) 표면 거칠기 미미 영향: RMS 2.1 nm(증착 직후) → 1.4 nm(어닐링) 감소.

어닐링 GeTe 나노박막 구조 영향 추가 조사 위해 X선 회절(XRD) 수행. Fig. 2f 증착 직후(파랑), 어닐링(빨강) GeTe 나노박막 XRD 스펙트럼. 어닐링 후 29.9°, 43.2° 두 강한 회절 피크 출현, 각각 (202), (220) 격자면 대응. 추가로 26.0°, 53.5° 약한 회절 피크, 각각 (021), (042) 격자면. 위 TEM 결과와 종합하면 GeTe 나노박막 어닐링 중 (220), (202) 격자면 따라 우선 배향함 확인. 증착 직후 대비 어닐링 GeTe는 결정상 급격 변화; 구조 관련 광학적 특성(흡수 스펙트럼) 차이 Fig. 2f, c에 나타남.

어닐링 GeTe 나노박막 표면 원소 조성 및 화학 결합 X선 광전자 분광(XPS, AlKα 방사선, 에너지 1486.6 eV)으로 연구. Fig. 2g, h, i 어닐링 GeTe 박막 Ge 2p, Ge 3d, Te 3d 코어 레벨 피크 XPS 스펙트럼. Ge 2p 코어 레벨 주로 Ge 2p₃/₂(1220.1 eV), Ge 2p₁/₂(1251.1 eV) 이중 피크 구성. Ge 3d 코어 레벨 Ge-Te, Ge-O 두 성분으로 디콘볼루션, 결합 에너지 각각 30.0, 32.8 eV. Te 3d 코어 레벨 Ge-Te, Te-O, Te-Te 성분 구성. Fig. 2i Te-O(Te⁴⁺) 피크 576.5 eV(Te 3d₅/₂), 587.0 eV(Te 3d₃/₂)는 TeO₂ 대응[33, 34]. 어닐링 GeTe 나노박막 Ge 3d, Te 3d 코어 레벨 모두 산소 관련 성분 보임(Fig. 2h, i). 그러나 Ge 2p 코어 레벨(더 깊은 침투 깊이)엔 산소 관련 성분 없음(Fig. 2g). 또한 GeO₂, TeO₂ XRD, TEM 특성화서 없음 → Ge, Te 원자 산화는 이전·어닐링 과정 중 대기 산소에 의한 표면 국한, 산화물 층 매우 얇음 시사[34]. 추가로 홀 측정으로 어닐링 GeTe 박막 p형 전도성 확인.

p-GeTe/n-Si 이종접합 기반 시제품 광전 검출기 제작해 광전자 분야 소재 활용 탐색. 소자 제작 공정 Fig. 3a 예시. Fig. 3b 검출기 구조. GeTe 박막, Al 전극 두께 각각 33, 100 nm. Fig. 3c, d 소자 응답 시간. 상승 시간(t_R): 전류가 피크 10→90% 증가 소요 시간. 감쇠 시간(t_D): 전류 90→10% 감소 소요 시간. 상승·하강 시간 대칭, 응답 시간(τ) 134 ms((t_R+t_D)/2).

그림 3. a p-GeTe/n-Si 이종접합 기반 광전 검출기 제작 공정 개략도, b 소자 구조. c-d 소자 시간적 광응답. e 암조건(검정선), 다양한 조사 밀도(컬러선) 하 광전 검출기 log(J)-V 특성. f R(응답도)-V, g D*(검출도)-V 특성

Keithley 2400 소스미터로 J-V 측정해 광응답 평가. λ=850 nm 빛, 20, 53, 90 μW/cm² 조사 밀도, 암조건, 상온 수행 log J vs V 특성 Fig. 3e. Fig. 3e에서 J_opt(광전류 밀도) 최솟값 전압이 J_D(암전류 밀도) 최솟값 전압에서 양방향 바이어스 쪽으로 0.1 V 벗어남 확인. 광생성 전압이 빛 조건에서 생성됨. 따라서 p-GeTe/n-Si 이종접합이 적외선 검출 잠재 응용 입증.

광검출기 두 중요 지표 응답도(R), 검출도(D*) 다음 식[35, 36]으로 결정:

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

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

여기서 I_p는 광전류(조사 전류 절댓값 - 암전류), A 소자 유효 면적, P_opt 입사 광학 파워, I_d 암전류, q 단위 전하(1.6×10⁻¹⁹ C).

Fig. 3f, g에서 R, D* 값 각각 6-15 A/W, 1-8×10¹¹ Jones(1 Jones=1 cm·Hz¹/²·W⁻¹). 소자 상온, 비패키지, 비최적화 조건 평가. 표 1은 칼코게나이드/Si 이종접합 기반 일부 적외선 광검출기 응답도, 검출도 나열. GeTe/Si가 상온에서 상대적으로 높은 성능 보임, GeTe 큰 흡수 계수와 직접 밴드갭 덕분일 수 있음.

결론

마그네트론 스퍼터링과 후 어닐링으로 결정질 GeTe 나노박막 제조. 어닐링 전후 나노박막 물리적, 전자적, 광학적 특성 연구. 360°C 어닐링 후 나노박막 장거리 질서, 밴드갭 에너지 0.70 eV 나타냄. p-GeTe/n-Si 이종접합 기반 광전 검출기 제작, 850 nm 조사 시 광응답 보임: 높은 R 6-15 A/W, D* 1-8×10¹¹ Jones, 응답 시간 134 ms. p-GeTe/n-Si 이종접합 적외선 검출 활용 입증. 컴퓨팅, 데이터 저장 등 타 분야 통합 잠재력 거대.

데이터 및 재료 가용성

본 원고 결론은 본 논문 제시·표시 데이터(본문, 그림) 기반.

약어

PVD:

물리 기상 증착

TEM:

투과전자현미경

HRTEM:

고해상도 투과전자현미경

FFT:

고속 푸리에 변환

AFM:

원자간력 현미경

XRD:

X선 회절계

XPS:

X선 광전자 분광