Detektor Fotovoltaik Inframerah Suhu Kamar Tingkat Tinggi Menggunakan Heterojunti p-GeTe/n-Si

Abstrak

GeTe adalah bahan semikonduktor sempit celah penting yang telah digunakan dalam penyimpanan perubahan fase serta perangkat spintronik. Namun, GeTe belum banyak dikaji untuk aplikasi detektor fotovoltaik inframerah yang beroperasi pada suhu kamar. Dalam penelitian ini, nanofilma GeTe ditumbuhkan dengan teknik sputtering magnetron dan dikarakterisasi untuk mengevaluasi sifat fisik, listrik, dan optiknya. Berhasil demonstrasi detektor fotovoltaik inframerah berkinerja tinggi berbasis heterojunti GeTe/Si dengan detektivitas sebesar 8 × 10¹¹ Jones pada iradiasi 850 nm dan suhu kamar.

Latar Belakang

Detektor inframerah menarik perhatian besar karena potensi aplikasinya dalam penglihatan malam, keamanan, sensasi jarak jauh, pemeriksaan pangan, biologi, dan bidang lainnya [1,2,3]. Secara umum, detektor inframerah fotovoltaik memanfaatkan efek pembawa minoritas yang menghasilkan waktu respons singkat, sehingga ideal untuk aplikasi citra dan sensor. Detektor inframerah berbasis HgCdTe sudah terbukti established [4, 5]. Namun, ketidaksesuaian jaringan kristal antara HgCdTe dan Si mencegah integrasi unit deteksi dan pemrosesan data, sehingga mengakibatkan sistem yang mahal dan menghambat miniaturisasi teknologi.

Banyak riset telah dilakukan untuk mengembangkan struktur heterogen berdasarkan materi dua dimensi yang ditumbuhkan pada substrat yang berbeda [6,7,8,9]. Struktur heterogen yang dihasilkan bergantung pada interaksi van der Waals [10], dan tidak ada persyaratan pencocokan jaringan antara materi yang berbeda.

Materi GeTe telah menarik perhatian luas dalam beberapa tahun terakhir [11,12,13,14,15]. Bahan ini dianggap sebagai pesaing kuat untuk teknologi memori generasi berikutnya karena GeTe menunjukkan sifat fisik, listrik, dan optik yang berbeda ketika berada dalam fase amorf dan kristal [16,17,18,19,20,21]. GeTe juga dapat dibuat menjadi semikonduktor magnetis yang dihaluskan, yang merupakan bahan penting untuk perangkat spintronik [15, 22, 23]. Jika fitur penyimpanan dan komputasi unik GeTe dapat diintegrasikan untuk mengembangkan perangkat baru, hal ini akan mengarah pada kemajuan signifikan dalam teknologi komputasi.

Selain itu, kemampuan mengembangkan detektor fotovoltaik berdasarkan heterojunti GeTe dan Si dua dimensi akan mengarah pada teknologi inovatif karena kompatibilitasnya dengan sirkuit Si dan proses perangkat spintronik berbasis GeTe. Ini akan memfasilitasi koneksi yang lancar dan cepat yang melibatkan detektor fotovoltaik dalam bidang komputasi di masa depan. Pentingnya lagi, teknologi ini cocok untuk miniaturisasi dengan biaya rendah.

Dalam penelitian ini, nanofilma GeTe tipe p disiapkan dengan metode sputtering magnetron dan pengeringan (annealing). Sifat fisik, elektronik, dan optik nanofilma dikaji. Terakhir, detektor fotovoltaik berbasis heterojunti p-GeTe/n-Si dibuat, dan performanya dikarakterisasi.

Metode

Perangkat dibuat menggunakan proses berikut. Pertama, substrat silikon monokristal tipe n dibersihkan dengan metode mandi kimia menggunakan larutan campuran H₂O ke H₂O₂ ke NH₃∙H₂O (3:1:1) pada suhu 80 °C selama 30 menit dan dikeringkan dengan aliran udara. Selanjutnya, film GeTe ditambal dengan sputtering magnetron langsung pada substrat yang telah dibersihkan pada tekanan 5 Pa selama 120 detik dari vakum awal 6.0 × 10⁻⁴ Pa. Kemudian, film dibungkus dengan foil tembaga dan dianali di oven vakum pada 360 °C selama 10 menit. Metode pengeringan didasarkan pada eksperimen awal dan suhu transisi fase bahan yang sebelumnya dilaporkan dalam literatur [18, 24,25,26]. Akhirnya, sepasang elektroda aluminium (Al) diavaporasi pada film GeTe dan substrat Si menggunakan teknik pengendapan fasa fisik (PVD) (pada tekanan 7.0 × 10⁻⁵ Pa) melalui masker bayangan. Ketebalan elektroda Al sekitar 100 nm seperti yang diukur oleh osilator kuarsa selama pengendapan. Luas efektif perangkat adalah 1,5 mm². Gambar 1a dan b menggambarkan proses sputtering magnetron dan pengeringan oven, masing-masing. Gambar 1c dan d menunjukkan film GeTe segera setelah ditambal dan setelah dianali, masing-masing.

Detektor Fotovoltaik Inframerah Suhu Kamar Tingkat Tinggi Menggunakan Heterojunti p-GeTe/n-Si

Hasil dan Pembahasan

Citra mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) film GeTe yang dianali ditunjukkan pada Gambar 1 e dan f. Inset menunjukkan pola transformasi Fourier cepat (FFT) film GeTe. Indeks bidang kristal ditunjukkan pada citra. Berdasarkan hasil ini, film GeTe yang dianali menunjukkan kristalinitas yang baik. Gambar 1g menunjukkan profil garis jerat jaringan yang ditunjukkan pada Gambar 1e dan f. Profil garis atas dan bawah Gambar 1g sesuai dengan bidang kristal (202) dan (220) film GeTe, yang memiliki pemisahan jerat jaringan sebesar 0,294 dan 0,209 nm, masing-masing. Diagram skematis struktur jaringan 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 setelah pengeringan menggunakan mikroskop Raman Renishaw inVia yang dilengkapi laser argon-ion dengan panjang gelombang excitasi 514 nm. Gambar 2a dan b menunjukkan spektr Raman yang dinormalisasi film GeTe segera setelah ditambal dan setelah dianali, masing-masing. Hasilnya sejalan dengan literatur [27, 28]. Terdapat tiga pita yang berbeda antara 100 dan 300 cm⁻¹ seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Pita-pita ini terletak pada 124,8, 161,8, dan 223,5 cm⁻¹, yaitu pita B, C, dan D, masing-masing. Setelah pengeringan, terjadi penurunan yang signifikan pada pita D dan juga kemunculan pita A yang terletak pada 108,1 cm⁻¹ seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Pita B, C, dan D juga mengalami red-shift sebesar 1,1, 5,3, dan 21,9 cm⁻¹, masing-masing. Ini dikaitkan dengan transformasi struktur film GeTe yang menghasilkan penurunan tingkat ketidakteraturan (misalnya, rasio interaksi antar molekula terhadap intra molekula) [27].

Untuk meneliti sifat optik film GeTe sebelum dan setelah pengeringan, spektroskopi absorpsi UV-Vis-NIR dilakukan menggunakan spektrometer Horiba iHR 320. Gambar 2c menunjukkan spektr absorpsi UV-Vis-NIR yang diperoleh dari kedua film. Puncak absorpsi pada 600 nm terlihat jelas setelah pengeringan. Koefisien absorpsi film GeTe yang dianali secara signifikan lebih besar dibandingkan film yang tidak dianali. Selain itu, tren penurunan koefisien absorpsi diamati untuk panjang gelombang yang meningkat pada band inframerah. Energi celah (E_g) film dapat ditentukan menggunakan rumus berikut [29, 30]:

$$ {\alpha}^2\left( h\nu \right)=C\left( h\nu -{E}_g\right) $$

di mana hν adalah energi foton insiden, α adalah koefisien absorpsi optik yang terkait dengan hν, dan C adalah konstanta. Celah optik langsung film GeTe dapat diperkirakan dari kurva α² versus energi foton (hv) seperti yang ditunjukkan pada inset Gambar 2c. Nilai ini dapat bervariasi tergantung pada kondisi eksperimental dan model teoritis [31]. Dalam penelitian ini, estimasi E_g film GeTe sebelum dan setelah pengeringan adalah 0,85 dan 0,70 eV, masing-masing. Ini sejalan dengan pekerjaan sebelumnya yang dilakukan oleh orang lain, yang melaporkan celah optik sekitar 0,85 eV untuk film GeTe amorf dan sekitar 0,73–0,95 eV untuk film kristal [32]. Penurunan E_g dilaporkan setelah pengeringan karena pengurutan jangkauan panjang jaringan.

Mikroskop gaya atom (AFM) dilakukan untuk menentukan ketebalan film menggunakan AFM (SPA-400). Masker fotoresist digunakan untuk menyiapkan sampel untuk pengukuran AFM. Gambar 2d menunjukkan citra optik 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 pengeringan. Pengeringan memiliki efek kecil pada kekasaran permukaan RMS film tipis GeTe; kekasaran permukaan RMS menurun dari 2,1 nm (GeTe segera setelah ditambal) menjadi 1,4 nm (GeTe yang dianali).

Efek pengeringan pada struktur nanofilma GeTe lebih lanjut dikaji menggunakan difraksi sinar X (XRD). Gambar 2f menunjukkan spektra XRD nanofilma GeTe segera setelah ditambal (biru) dan setelah dianali (merah). Dua puncak difraksi yang kuat pada 29,9° dan 43,2°, yang masing-masing sesuai dengan bidang jaringan (202) dan (220), muncul setelah pengeringan. Selain itu, dua puncak difraksi yang lemah pada 26,0° dan 53,5°, yang masing-masing sesuai dengan bidang jaringan (021) dan (042), juga muncul dalam spektra. Saat digabungkan dengan hasil TEM di atas, jelas bahwa nanofilma GeTe secara preferensial terurut sepanjang bidang jaringan (220) dan (202) selama proses pengeringan. Dibandingkan film GeTe segera setelah ditambal, GeTe yang dianali mengalami perubahan drastis dalam fase kristal; perbedaan sifat optik terkait struktur (spektr absorpsi) ditunjukkan pada Gambar 2f dan c.

Komposisi elemen dan ikatan kimia pada permukaan nanofilma GeTe yang dianali dikaji menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) dengan radiasi AlKα energi 1486,6 eV. Spektra XPS puncak tingkat inti Ge 2p, Ge 3d, dan Te 3d film GeTe yang dianali ditunjukkan pada Gambar 2g, h, dan i, masing-masing. Tingkat inti Ge 2p terutama terdiri dari puncak ganda Ge 2p_3/2 (1220,1 eV) dan Ge 2p_1/2 (1251,1 eV). Tingkat inti Ge 3d diuraikan menjadi dua komponen, yaitu Ge-Te dan Ge-O pada energi ikatan 30,0 dan 32,8 eV, masing-masing. Tingkat inti Te 3d terdiri dari komponen Ge-Te, Te-O, dan Te-Te. Puncak Te-O (Te⁴⁺) pada 576,5 eV (Te 3d_5/2) dan 587,0 eV (Te 3d_3/2) pada Gambar 2i terkait dengan TeO₂ [33, 34]. Kedua tingkat inti Ge 3d dan Te 3d nanofilma GeTe yang dianali menunjukkan komponen terkait oksigen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2h dan i, masing-masing. Namun, tidak ada komponen terkait oksigen pada tingkat inti Ge 2p, yang berada pada kedalaman penetrasi yang lebih besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2g. Selain itu, GeO₂ dan TeO₂ tidak terdeteksi dalam karakterisasi XRD dan TEM, sehingga ini menunjukkan bahwa oksidasi atom Ge dan Te terutama terlokalisasi pada permukaan film oleh oksigen atmosfer selama proses transfer dan pengeringan [34] dan lapisan oksida sangat tipis. Selain itu, film GeTe yang dianali diselidiki dengan pengukuran Hall yang mengungkapkan konduktansi tipe p.

Sebuah prototipe detektor fotovoltaik berbasis heterojunti p-GeTe/n-Si dibuat untuk mengeksplorasi penggunaan bahan ini dalam bidang optoelektronika. Proses pembuatan perangkat diilustrasikan pada Gambar 3a. Gambar 3b menggambarkan struktur detektor cahaya. Ketebalan film GeTe dan elektroda Al adalah 33 dan 100 nm, masing-masing. Gambar 3c dan d menunjukkan waktu respons perangkat. Waktu naik (t_R) didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan arus untuk meningkat dari 10 hingga 90% dari puncak, sementara waktu turun (t_D) adalah waktu yang dibutuhkan arus untuk menurun dari 90 hingga 10%. Seperti yang ditunjukkan, waktu naik dan turun simetris dengan waktu respons (τ) sebesar 134 ms (misalnya, (t_R + t_D)/2).

Respons foto perangkat dievaluasi dari pengukuran J-V menggunakan sourcemeter Keithley 2400 di bawah iluminasi cahaya. Karakteristik log J vs. V perangkat yang diiradiasi oleh cahaya λ = 850 nm pada berbagai densitas 20, 53, dan 90 μW cm⁻² dan dalam kondisi gelap yang dilakukan pada suhu kamar ditunjukkan pada Gambar 3e. Terlihat dari Gambar 3e bahwa tegangan yang sesuai dengan nilai minimum J_opt (yaitu densitas arus foto) menyimpang 0,1 V dari tegangan yang sesuai dengan nilai minimum J_D (yaitu densitas arus gelap) dalam arah bias positif, dan bahwa tegangan foto dihasilkan di bawah kondisi cahaya. Oleh karena itu, heterojunti p-GeTe/n-Si telah menunjukkan potensi aplikasinya dalam deteksi inframerah.

Dua angka merit penting untuk detektor cahaya, yaitu responsivitas (R) dan detektivitas (D*), ditentukan menggunakan persamaan berikut [35, 36]:

$$ R=\frac{I_p}{AP_{opt}} $$ (2) $$ {D}^{\ast }=\frac{R\sqrt{A}}{\sqrt{2q\left|{I}_d\right|}} $$ (3)

di mana I_p adalah arus foto yang sama dengan nilai mutlak arus di bawah iradiasi dikurangi arus dalam gelap, A adalah luas efektif perangkat, P_opt adalah daya 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 × 10¹¹ Jones (1 Jones = 1 cm Hz¹ᐟ² W⁻¹) seperti yang diperoleh dari Gambar 3f dan g, masing-masing. Perangkat dievaluasi pada suhu kamar, tanpa kemasan, dan tanpa optimisasi. Tabel 1 mencantumkan responsivitas dan detektivitas beberapa detektor inframerah berbasis heterojunti calcogenida/Si; terlihat bahwa GeTe/Si menunjukkan performa yang relatif lebih tinggi pada suhu kamar, yang mungkin disebabkan oleh koefisien absorpsi yang besar dan celah langsung GeTe.

Kesimpulan

Nanofilma GeTe kristal diproduksi dengan sputtering magnetron dan perawatan pengeringan pasca. Sifat fisik, elektronik, dan optik nanofilma sebelum dan setelah pengeringan dikaji. Setelah pengeringan pada 360 °C, nanofilma menunjukkan urutan jangkauan panjang dan energi celah 0,70 eV. Detektor fotovoltaik berbasis heterojunti p-GeTe/n-Si dibuat dan menunjukkan respons foto pada iradiasi 850 nm dengan R tinggi sebesar 6–15 A/W dan D* sebesar 1–8 × 10¹¹ Jones dengan waktu respons 134 ms. Oleh karena itu, penggunaan heterojunti p-GeTe/n-Si dalam deteksi inframerah telah divisualisasikan dalam penelitian ini. Ini memiliki potensi besar untuk integrasi dengan bidang lain, seperti komputasi dan penyimpanan data.

Ketersediaan Data dan Bahan

Kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data (teks utama dan gambar) yang disajikan dan ditunjukkan dalam artikel ini.

Singkatan

PVD:: Pengendapan fasa fisik
TEM:: Mikroskop transmisi elektron
HRTEM:: Mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi
FFT:: Transformasi Fourier cepat
AFM:: Mikroskop gaya atom
XRD:: Difraktometer sinar X
XPS:: Spektroskopi fotoelektron sinar X

Sumbu MALAT1/miR-143/VEGFA Menggerakkan Kerusakan Endotel yang Akibatnya Aneurisma Intrakranial Fenomena Termoelektrik Tergantung Spint yang Signifikan dalam Jaringan Nanowires NiFe

bahan nano