p-GeTe / n-Siヘテロ接合に基づく赤外線光起電力検出器

背景

赤外線検出器は、暗視イメージング、安全性、リモートセンシング、食品検査、生物学、およびその他の分野で多くの潜在的な用途があるため、大きな関心が寄せられています[1,2,3]。一般に、光起電性赤外線検出器は、少数のキャリア効果を利用して応答時間を短縮します。これは、イメージングおよびセンシングアプリケーションに最適です。 HgCdTeベースの赤外線検出器は十分に確立されています[4、5]。ただし、HgCdTeとSiの格子不整合では、検出ユニットとデータ処理ユニットを統合できないため、システムのコストが高くなり、テクノロジーの小型化が妨げられます。

異なる基板上に成長した二次元材料に基づいたさまざまな不均一構造の開発において、多くの研究活動が行われてきました[6、7、8、9]。結果として生じる不均一な構造はファンデルワールス相互作用に依存し[10]、異なる材料の格子整合の要件はありません。

GeTe材料は、近年大きな注目を集めています[11、12、13、14、15]。材料がアモルファス相と結晶相にあるときに異なる物理的、電気的、および光学的特性を示すため、次世代メモリ技術の強力な候補と見なされてきました[16、17、18、19、20、21]。 GeTeは、スピントロニクスデバイスの重要な材料である希薄磁性半導体にすることもできます[15、22、23]。 GeTeの独自のストレージおよびコンピューティング機能を統合して新しいデバイスを開発できれば、コンピューティングテクノロジーの大幅な進歩につながります。

さらに、2次元GeTeおよびSiヘテロ接合に基づく光起電力検出器を開発する能力は、Si回路およびGeTeベースのスピントロニクスデバイスプロセスとの互換性により、画期的な技術につながります。これにより、将来のコンピューティング分野での光起電検出器を含むシームレスで高速な接続が容易になります。重要なのは、このテクノロジーが低コストでの小型化に適していることです。

この作業では、マグネトロンスパッタリングとアニーリング法によってp型GeTeナノフィルムを作成しました。ナノフィルムの物理的、電子的、および光学的特性を調査した。最後に、p-GeTe / n-Siヘテロ接合に基づく光起電力検出器を製造し、その性能を特性評価しました。

メソッド

デバイスは、以下のプロセスを使用して製造されました。まず、H ₂ を含む混合溶液を使用して、n型単結晶シリコン（Si）基板を化学浴法で洗浄しました。 OからH ₂ O ₂ NH ₃ へ ∙H ₂ O（3：1：1）、80°Cで30分間、空気流下で乾燥させます。次に、GeTe膜を、マグネトロンスパッタリングによって、6.0×10 ^-4 の初期真空から、5Paの圧力で120秒間洗浄した基板上に直接堆積しました。 Pa。続いて、フィルムを銅箔で包み、次に真空オーブン内で360°Cで10分間アニーリングしました。アニーリング法は、予備実験と、以前に文献で報告された材料の相転移温度に基づいていました[18、24、25、26]。最後に、物理蒸着（PVD）技術（7.0×10 ^-5 の圧力）を使用して、一対のアルミニウム（Al）電極をGeTe膜とSi基板上に蒸着しました。 Pa）シャドウマスクを通して。堆積中に水晶発振器で測定した場合、Al電極の厚さは約100nmでした。デバイスの有効面積は1.5mm ² でした。 。図1aとbは、それぞれマグネトロンスパッタリングとオーブンアニーリングプロセスを示しています。図1cとdは、それぞれ堆積したままのGeTe膜とアニールしたGeTe膜を示しています。

a Si基板上へのGeTe膜のマグネトロンスパッタリング。 b GeTeフィルムのポストアニーリング。 c 堆積したままの d の光学画像 石英基板上にアニールされたGeTe膜。 e – f アニールされたGeTeフィルムのTEM画像とFFTパターン（挿入図）。 g 上部パネルと下部パネルにそれぞれ示されている、（202）と（220）の結晶面の格子縞のラインプロファイル。 h – j 結晶構造の概略図

結果と考察

アニールされたGeTe膜の高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）画像を図1eおよびfに示します。挿入図は、GeTeフィルムの高速フーリエ変換（FFT）パターンを示しています。結晶面の指標は画像に示されています。これらの結果によると、アニールされたGeTe膜は良好な結晶化度を示しました。図1gは、図1eおよびfに示した格子縞のラインプロファイルを示しています。図1gの上の線と下の線のプロファイルは、GeTe膜の（202）と（220）の結晶面に対応しており、それぞれ0.294nmと0.209nmの格子縞分離を持っています。 GeTe格子構造の概略図を図1hに示します。図1iとjは、それぞれ図1eとfで観察されたGeTeの結晶面モデルを示しています。

ラマン分光法を実施して、励起波長514nmで動作するアルゴンイオンレーザーを備えたレニショーinViaラマン顕微鏡を使用して、アニーリング前後のGeTeフィルムの構造を研究しました。図2aとbは、それぞれ、堆積したままのGeTe膜とアニールしたGeTe膜の正規化されたラマンスペクトルを示しています。結果は文献[27、28]とよく一致しています。 100〜300 cm ^-1 の間に3つの特徴的なバンドがありました 図2aに示すように。これらのバンドは124.8、161.8、および223.5 cm ^-1 にありました。 つまり、それぞれバンドB、C、およびDです。アニーリング後、バンドDが大幅に減少し、108.1 cm ^-1 にバンドAが出現しました。 図2bに示すように。バンドB、C、およびDも、1.1、5.3、および21.9 cm ^-1 だけ赤方偏移しました。 、 それぞれ。これらは、GeTe膜の構造変換により、無秩序度（分子間相互作用と分子内相互作用の比率など）が低下することに起因します[27]。

a – b それぞれアニーリング前後のGeTe膜の正規化されたラマンスペクトル。 c アニーリング前後のGeTe膜のUV-Vis-NIR吸収スペクトル。 （挿入図）αのプロット ² 対光子エネルギー（hν ）2つのGeTeフィルムの。 d AFM測定用のアニールされたGeTeフィルムの光学画像。 e アニールされたGeTe膜の厚さ測定用のAFM画像とラインプロファイル（挿入図）。 f アニーリング前後のGeTe膜のXRDスペクトル。 g – i アニールされたGeTe膜のGe2p、Ge 3d、およびTe3dコアレベルのXPSスペクトル

アニーリング前後のGeTe膜の光学特性を調べるために、Horiba iHR320分光計を使用してUV-Vis-NIR吸収分光法を実行しました。図2cは、両方のフィルムから得られたUV-Vis-NIR吸収スペクトルを示しています。アニーリング後、600nmに吸収ピークが見られました。アニールされたGeTe膜の吸収係数は、アニールされていない膜の吸収係数よりも大幅に大きかった。さらに、赤外線帯域の波長が長くなると、吸収係数の減少傾向が観察されました。バンドギャップエネルギー（ E _g ）のフィルムは、次の式[29、30]を使用して決定できます。

ここで、hν 入射光子のエネルギー、α hνに関連する吸光係数です。 、および C 定数です。 GeTe膜の直接光学バンドギャップは、αの曲線から推定できます。 ² 対光子エネルギー（ hv ）図2cの挿入図に示すように。実験条件や理論モデルによって大きく異なります[31]。この作業では、推定された E _g アニーリング前後のGeTe膜の割合はそれぞれ0.85と0.70eVでした。これは、アモルファスGeTe膜で約0.85 eV、結晶膜で約0.73〜0.95eVの光学バンドギャップを報告した他の研究者によって行われた以前の研究とよく一致しています[32]。 E の削減 _g 格子の長距離秩序化のため、アニーリング後に報告されました。

原子間力顕微鏡（AFM）を実施し、AFM（SPA-400）を使用してフィルムの厚さを測定しました。フォトレジストマスクを使用して、AFM測定用のサンプルを準備しました。図2dは、GeTeフィルムと基板の間に明らかな境界があるAFM用に準備されたサンプルの光学画像を示しています。図2eは、アニーリング後のSi基板上の33±1.5nmの膜厚を示しています。アニーリングは、GeTe薄膜の二乗平均平方根（RMS）表面粗さに少し影響します。 RMS表面粗さは2.1nm（堆積したままのGeTe）から1.4 nm（アニールされたGeTe）に減少しました。

GeTeナノフィルムの構造に対するアニーリングの影響は、X線回折（XRD）を使用してさらに調査されました。図2fは、堆積したままの（青）およびアニールした（赤）GeTeナノフィルムのXRDスペクトルを示しています。アニーリング後、それぞれ（202）と（220）の格子面に対応する29.9°と43.2°の2つの強い回折ピークが現れました。さらに、それぞれ（021）と（042）の格子面に対応する26.0°と53.5°の2つの弱い回折ピークもスペクトルに現れました。上記のTEM結果と組み合わせると、GeTeナノフィルムがアニーリングプロセス中に（220）および（202）格子面に沿って優先的に秩序化されることが明らかです。堆積したままのGeTe膜と比較して、アニールされたGeTeは結晶相に劇的な変化があります。構造に関連する光学特性（吸収スペクトル）の違いを図2fとcに示します。

アニールされたGeTeナノフィルムの表面の元素組成と化学結合は、1486.6 eVのエネルギーのAlKα放射線を使用したX線光電子分光法（XPS）によって研究されました。アニールされたGeTe膜のGe2p、Ge 3d、およびTe 3dコアレベルピークのXPSスペクトルを、それぞれ図2g、h、およびiに示します。 Ge 2pコアレベルは、主にGe 2p _3/2 で構成されていました。 （1220.1 eV）およびGe 2p _1/2 （1251.1 eV）ダブレットピーク。 Ge 3dコアレベルは、結合エネルギー30.0および32.8 eVで、それぞれGe-TeおよびGe-Oの2つのコンポーネントにデコンボリューションされました。 Te 3dコアレベルは、Ge-Te、Te-O、およびTe-Teコンポーネントで構成されていました。 Te-O（Te ⁴⁺ ）576.5 eVでピーク（Te 3d _5/2 ）および587.0 eV（Te 3d _3/2 ）図2iは、TeO ₂ に関連付けられています。 [33、34]。アニールされたGeTeナノフィルムのGe3dおよびTe3dコアレベルは、それぞれ図2hおよびiに示すように酸素関連成分を示しました。ただし、図2gに示すように、Ge 2pコアレベルには、より深い侵入深さの酸素関連成分はありませんでした。さらに、GeO ₂ およびTeO ₂ XRDおよびTEMの特性評価には含まれていなかったため、これは、GeおよびTe原子の酸化が、転写およびアニーリングプロセス中に大気中の酸素によって主に膜の表面に局在し[34]、酸化物層が非常に薄いことを示唆しています。さらに、アニールされたGeTe膜は、ホール測定によって調査され、p型コンダクタンスが明らかになりました。

オプトエレクトロニクスの分野での材料の使用を調査するために、p-GeTe / n-Siヘテロ接合に基づくプロトタイプの光起電力検出器が製造されました。デバイスの製造プロセスを図3aに示します。図3bは、光検出器の構造を示しています。 GeTe膜とAl電極の厚さはそれぞれ33nmと100nmでした。図3cおよびdは、デバイスの応答時間を示しています。立ち上がり時間（ t _R ）は、電流がピークの10％から90％に増加するのにかかる時間として定義され、減衰時間（ t _D ）は、電流が90％から10％に減少するのにかかる時間です。示されているように、立ち上がり時間と立ち下がり時間は対称であり、応答時間（τ）は134 msです（例：（t _R + t _D ）/ 2）。

a p-GeTe / n-Siヘテロ接合と b に基づく光起電力検出器の製造プロセスを示す概略図 デバイスの構造。 c – d デバイスの一時的な光応答。 e 対数のプロット（ J ） -V 暗い（黒い線）および異なる照射密度（色付きの線）での光起電力検出器の特性。 f R のプロット （応答性）- V および g D ^* （検出性）- V 光起電力検出器の特性

デバイスの光応答は J から評価されました - V 光照射下でのKeithley2400ソースメーターを使用した測定。ログ J 対 V λで照射されたデバイスの特性 =20、53、および90μWcm ⁻² のさまざまな密度で850nmの光 室温で暗所で行った状態を図3eに示します。図3eから、 J の最小値に対応する電圧がわかります。 _opt （すなわち、光電流密度） J の最小値に対応する電圧から0.1Vずれている _D （すなわち、暗電流密度）正バイアスの方向であり、光生成電圧が光条件下で生成されたこと。したがって、p-GeTe / n-Siヘテロ接合は、赤外線検出におけるその潜在的な用途を実証しています。

応答性（ R ）などの光検出器の2つの重要な性能指数 ）および検出性（ D ^* ）、次の方程式を使用して決定されました[35、36]：

ここで私 _p は、照射下の電流の絶対値から暗所の電流を差し引いた値に等しい光電流です。 A デバイスの有効領域 P _opt 入射光パワー、 I _d は暗電流であり、 q は単位料金です（1.6×10 ^-19 C）。

R の値 および D ^* 6–15 A / Wおよび1–8×10 ¹¹ ジョーンズ（1ジョーンズ=1 cm Hz ^1/2 W ^-1 ）それぞれ図3fおよびgから得られるように。デバイスは、室温で、パッケージ化されておらず、最適化なしで評価されました。表1に、カルコゲニド/ Siヘテロ接合に基づくいくつかの赤外線光検出器の応答性と検出性を示します。 GeTe / Siは室温で比較的高い性能を示すことがわかります。これは、GeTeの大きな吸収係数と直接バンドギャップが原因である可能性があります。

結論

結晶性GeTeナノフィルムは、マグネトロンスパッタリングとポストアニーリング処理によって生成されました。アニーリング前後のナノフィルムの物理的、電子的、および光学的特性を研究した。 360°Cでアニーリングした後、ナノフィルムは0.70eVの長距離秩序とバンドギャップエネルギーを示しました。 p-GeTe / n-Siヘテロ接合に基づく光起電検出器が製造され、850nmの照射で高い R を示す光応答を示しました。 6–15 A / Wおよび D * 1〜8×10 ¹¹ 応答時間134msのジョーンズ。したがって、この研究では、赤外線検出におけるp-GeTe / n-Siヘテロ接合の使用が実証されました。コンピューティングやデータストレージなどの他の分野との統合には大きな可能性があります。

データと資料の可用性

この原稿でなされた結論は、この論文で提示され示されているデータ（本文と図）に基づいています。

略語

PVD：

物理蒸着

TEM：

透過型電子顕微鏡

HRTEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

FFT：

高速フーリエ変換

AFM：

原子間力顕微鏡

XRD：

X線回折計

XPS：

X線光電子分光法