Detektor fotovoltaik inframerah berdasarkan heterojungsi p-GeTe/n-Si

Hasil dan Diskusi

Gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dari film GeTe anil ditunjukkan pada Gambar. 1 e dan f. Sisipan menunjukkan pola transformasi Fourier cepat (FFT) dari film GeTe. Indeks bidang kristal ditunjukkan pada gambar. Menurut hasil ini, film GeTe anil menunjukkan kristalinitas yang baik. Gambar 1g menunjukkan profil garis dari pinggiran kisi yang ditunjukkan pada Gambar. 1e dan f. Profil garis atas dan bawah dari Gambar 1g sesuai dengan (202) dan (220) bidang kristal film GeTe, yang memiliki pemisahan pinggiran kisi masing-masing 0,294 dan 0,209 nm. Diagram skema struktur kisi GeTe diilustrasikan pada Gambar 1h. Gambar 1i dan j menunjukkan model bidang kristal GeTe seperti yang diamati pada Gambar. 1e dan f, masing-masing.

Spektroskopi Raman dilakukan untuk mempelajari struktur film GeTe sebelum dan sesudah anil menggunakan mikroskop Renishaw inVia Raman yang dilengkapi dengan laser argon-ion yang beroperasi pada panjang gelombang eksitasi 514 nm. Gambar 2a dan b masing-masing menunjukkan spektrum Raman yang dinormalisasi dari film GeTe yang diendapkan dan dianil. Hasilnya sesuai dengan literatur [27, 28]. Ada tiga pita berbeda antara 100 dan 300 cm ⁻¹ seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Pita ini terletak di 124,8, 161,8, dan 223,5 cm ⁻¹ , yaitu, masing-masing pita B, C, dan D. Setelah anil, terjadi penurunan signifikan pada pita D dan juga munculnya pita A yang terletak di 108,1 cm ⁻¹ seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Pita B, C, dan D juga digeser merah sebesar 1,1, 5,3, dan 21,9 cm ⁻¹ , masing-masing. Ini dikaitkan dengan transformasi struktural film GeTe yang menghasilkan pengurangan tingkat gangguan (misalnya, rasio interaksi antarmolekul dengan intramolekul) [27].

a –b Spektrum Raman yang dinormalisasi dari film GeTe masing-masing sebelum dan sesudah anil. c Spektrum serapan UV-Vis-NIR dari film GeTe sebelum dan sesudah anil. (Inset) Plot α ² versus energi foton (hν ) dari dua film GeTe. d Gambar optik film GeTe anil untuk pengukuran AFM. e Gambar AFM dan profil garis (inset) untuk pengukuran ketebalan film GeTe anil. f Spektrum XRD dari film GeTe sebelum dan sesudah anil. g –i Spektrum XPS level inti Ge 2p, Ge 3d, dan Te 3d dari film GeTe anil

Untuk menyelidiki sifat optik film GeTe sebelum dan sesudah anil, spektroskopi serapan UV-Vis-NIR dilakukan menggunakan spektrometer Horiba iHR 320. Gambar 2c menunjukkan spektrum serapan UV-Vis-NIR yang diperoleh dari kedua film. Puncak penyerapan pada 600 nm terlihat setelah anil. Koefisien penyerapan film GeTe yang dianil secara signifikan lebih besar daripada film yang tidak dianil. Selanjutnya, tren penurunan koefisien penyerapan diamati untuk panjang gelombang yang meningkat di pita inframerah. Energi celah pita (E _g ) dari film dapat ditentukan dengan menggunakan rumus berikut [29, 30]:

dimana hν adalah energi foton kejadian, α adalah koefisien penyerapan optik yang terkait dengan hν , dan C adalah sebuah konstanta. Celah pita optik langsung dari film GeTe dapat diperkirakan dari kurva α ² vs. energi foton (hv ) seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 2c. Ini dapat sangat bervariasi tergantung pada kondisi eksperimental dan model teoritis [31]. Dalam pekerjaan ini, perkiraan E _g dari film GeTe sebelum dan sesudah anil adalah 0,85 dan 0,70 eV, masing-masing. Ini sesuai dengan pekerjaan sebelumnya yang dilakukan oleh orang lain, yang melaporkan celah pita optik ~ 0,85 eV untuk film GeTe amorf dan ~ 0,73–0,95 eV untuk film kristal [32]. Pengurangan E _g dilaporkan setelah anil karena pemesanan kisi jarak jauh.

Mikroskop gaya atom (AFM) dilakukan untuk menentukan ketebalan film menggunakan AFM (SPA-400). Masker photoresist digunakan untuk menyiapkan sampel untuk pengukuran AFM. Gambar 2d menunjukkan gambar optik dari sampel yang disiapkan untuk AFM dengan batas yang jelas antara film GeTe dan substrat. Gambar 2e mengungkapkan ketebalan film 33 ± 1,5 nm pada substrat Si setelah anil. Annealing memiliki sedikit efek pada kekasaran permukaan root-mean-square (RMS) dari film tipis GeTe; kekasaran permukaan RMS menurun dari 2,1 nm (GeTe yang disimpan) menjadi 1,4 nm (GeTe anil).

Pengaruh anil pada struktur nanofilm GeTe diselidiki lebih lanjut menggunakan difraksi sinar-X (XRD). Gambar 2f menunjukkan spektrum XRD dari nanofilm GeTe yang diendapkan (biru) dan dianil (merah). Dua puncak difraksi yang kuat pada 29,9° dan 43,2°, yang masing-masing sesuai dengan bidang kisi (202) dan (220), muncul setelah anil. Selain itu, dua puncak difraksi lemah pada 26,0 dan 53,5, yang masing-masing sesuai dengan bidang kisi (021) dan (042), juga muncul dalam spektrum. Ketika dikombinasikan dengan hasil TEM di atas, terbukti bahwa nanofilm GeTe secara istimewa dipesan di sepanjang bidang kisi (220) dan (202) selama proses anil. Dibandingkan dengan film GeTe yang diendapkan, GeTe yang dianil memiliki perubahan drastis dalam fase kristal; perbedaan sifat optik terkait struktur (spektra serapan) ditunjukkan pada Gambar. 2f dan c.

Komposisi unsur dan ikatan kimia pada permukaan anil GeTe nanofilm dipelajari dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) menggunakan radiasi AlKα dengan energi 1486,6 eV. Spektrum XPS puncak level inti Ge 2p, Ge 3d dan Te 3d dari film GeTe anil ditunjukkan masing-masing pada Gambar. 2g, h dan i. Level inti Ge 2p sebagian besar terdiri dari Ge 2p_3/2 (1220.1 eV) dan Ge 2p_1/2 (1251,1 eV) puncak ganda. Level inti Ge 3d didekonvolusi menjadi dua komponen, yaitu Ge-Te dan Ge-O dengan energi ikat masing-masing sebesar 30,0 dan 32,8 eV. Level inti Te 3d terdiri dari komponen Ge-Te, Te-O dan Te-Te. Te-O (Te ⁴⁺ ) memuncak pada 576,5 eV (Te 3d_5/2 ) dan 587.0 eV (Te 3d_3/2 ) pada Gambar 2i dikaitkan dengan TeO₂ [33, 34]. Baik tingkat inti Ge 3d dan Te 3d dari nanofilm GeTe anil menunjukkan komponen terkait oksigen masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2h dan i. Namun, tidak ada komponen yang berhubungan dengan oksigen pada tingkat inti Ge 2p, yang berada pada kedalaman penetrasi yang lebih besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2g. Selanjutnya, GeO₂ dan TeO₂ tidak ada dalam karakterisasi XRD dan TEM, maka ini menunjukkan bahwa oksidasi atom Ge dan Te terutama terlokalisasi di permukaan film oleh oksigen atmosfer selama proses transfer dan anil [34] dan lapisan oksida sangat tipis. Selain itu, film GeTe anil diselidiki dengan pengukuran Hall yang mengungkapkan konduktansi tipe-p.

Prototipe detektor fotovoltaik berdasarkan heterojungsi p-GeTe/n-Si telah dibuat untuk mengeksplorasi penggunaan material di bidang optoelektronika. Proses fabrikasi perangkat diilustrasikan pada Gambar. 3a. Gambar 3b menggambarkan struktur fotodetektor. Ketebalan film GeTe dan elektroda Al adalah 33 dan 100 nm, masing-masing. Gambar 3c dan d menunjukkan waktu respons perangkat. Waktu terbit (t _R ) didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan arus untuk meningkat dari 10 menjadi 90% puncak, sedangkan waktu peluruhan (t _D ) adalah waktu yang dibutuhkan arus untuk berkurang dari 90 menjadi 10%. Seperti yang ditunjukkan, waktu naik dan turun adalah simetris dengan waktu respons (τ) 134 ms (mis., (t_R + t_D )/2).

a Diagram skematis yang menggambarkan proses fabrikasi detektor fotovoltaik berdasarkan heterojungsi p-GeTe/n-Si dan b struktur perangkat. c –d Respons foto temporal perangkat. e Plot log (J )-V karakteristik detektor fotovoltaik di bawah gelap (garis hitam) dan kepadatan iradiasi yang berbeda (garis berwarna). f Plot R (responsivitas)-V dan g A ^* (deteksi)-V karakteristik detektor fotovoltaik

Respon foto perangkat dievaluasi dari J -V pengukuran menggunakan sourcemeter Keithley 2400 di bawah penerangan cahaya. Log J vs. V karakteristik perangkat yang disinari oleh λ =850 nm cahaya pada kepadatan berbeda 20, 53, dan 90 μW cm ⁻² dan dalam kondisi gelap dilakukan pada suhu kamar ditunjukkan pada Gambar. 3e. Dapat dilihat dari Gambar 3e bahwa tegangan yang sesuai dengan nilai minimum J _pilih (yaitu, kerapatan arus foto) menyimpang sebesar 0,1 V dari tegangan yang sesuai dengan nilai minimum J _D (yaitu, kerapatan arus gelap) ke arah bias positif, dan bahwa tegangan fotogenik dihasilkan di bawah kondisi cahaya. Oleh karena itu, heterojungsi p-GeTe/n-Si telah mendemonstrasikan aplikasi potensialnya dalam deteksi inframerah.

Dua figur penting yang berguna untuk fotodetektor, seperti responsivitas (R ) dan deteksi (D ^* ), ditentukan menggunakan persamaan berikut [35, 36]:

dimana Aku _p adalah arus foto yang sama dengan nilai absolut arus di bawah iradiasi dikurangi dalam gelap, A adalah area efektif perangkat, P _pilih adalah kekuatan optik insiden, I _d adalah arus gelap, dan q adalah muatan satuan (1,6 × 10 ⁻¹⁹ C).

Nilai R dan D ^* adalah 6–15 A/W dan 1–8 × 10 ¹¹ Jones (1 Jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) seperti yang diperoleh dari Gambar. 3f dan g, masing-masing. Perangkat dievaluasi pada suhu kamar, tanpa kemasan, dan tanpa optimasi. Tabel 1 mencantumkan responsivitas dan deteksi beberapa fotodetektor inframerah berdasarkan heterojunction chalcogenide/Si; terlihat bahwa GeTe/Si menunjukkan kinerja yang relatif lebih tinggi pada suhu kamar, yang mungkin disebabkan oleh koefisien penyerapan yang besar dan celah pita langsung dari GeTe.