Programul 1 - Dezvoltarea sistemului national de cercetare-dezvoltare Subprogramul 1.1 - Resurse umane, Proiecte de cercetare pentru stimularea tinerelor echipe independente
Funded by: Autoritatea nationala pentru cercetare stiintifica si inovare (ANCESI), Coordonator subprogram UEFISCDI
Scopul proiectului este de a fabrica un demonstrator miniaturizat pentru dispozitive de fotodetectori pe baza de nanocristale de Ge (top contact / Ge-ncs:Si3N4 / Si sau cuarț substrat de contact / contact de spate), având parametri de fotodetector vizați ca raportul fotocurent-curent de întuneric (raport on/off) de 1-2 ordine de marime, domeniu spectral extins în infraroșu apropiat, responsivitate de mare, detectivitate buna și timp de răspuns scazut. Pentru a atinge acest obiectiv, propunem o nouă soluție pentru fabricarea acestor dispozitive, prin utilizarea unui strat activ nanostructurat in-situ, la temperatură scăzută (mai mică de 500 °C), și anume Ge-ncs încorporate în Si3N4. Pentru a atinge acest scop propunem următoarele obiective: O1. Depunerea prin pulverizare catodica a structurii Ge-ncs:Si3N4 / Si sau substrat de cuarț, prin diferite abordări noi. Pentru aceasta, parametrii critici de depunere (puterea DC și RF, presiunea de lucru, flux de gaz sau temperatura substratului) vor fi reglati fin pentru a fi optimizati; O2. Formarea de Ge-ncs în matricea de Si3N4 cu morfologie controlată (dimensiunea Ge-ncs, uniformitate și densitate); O3. Dezvoltarea probelor test de tipul top contact / Ge-ncs:Si3N4 / Si sau substrat de cuarț / contact de spate cu proprietati fotoconductive controlate de morfologie, complet caracterizate; O4. Obținerea demonstratorului pentru dispozitive de fotodetector cu parametri de fotodetector vizati ca raportul fotocurentul-curent de întuneric (raport on/off) de 1-2 ordine de marime, domeniu spectral extins în infraroșu apropiat, responsivitate de mare, detectivitate buna și timp de răspuns scazut, testat funcțional în conformitate cu TRL3. Diseminarea rezultatelor științifice se va face prin 1 aplicatie brevet, 2 articole în reviste ISI, 2 contribuții la conferințe si pagina web. Expertiza științifica a echipei și facilitățile alese pentru a atinge scopul proiectului sunt argumente solide pentru succesul proiectului în timpul propus.
Project Objectives:

The project aim is to fabricate a miniaturized demonstrator for photodetector device based on Ge nanocrystals (top contact/ Ge-ncs:Si3N4/ Si or quartz substrate/ bottom contact), having targeted photodetector parameters as photocurrent to dark current ratio (on/off ratio)  of 1-2 orders, spectral window extended to near infrared (NIR), high responsivity, good detectivity and fast response time.

Dr. Ionel Stavarache

Dr. Ana-Maria Lepadatu

Dr. Catalin Palade

Dr. Catalin Negrila

Dr. Raluca Florentina Negrea

Etapa I / 2018

REZUMATUL ETAPEI I

Proiectul Geminiphotodet are ca scop fabricarea unui fotodetector miniaturizat pe baza de Ge-ncs (contact fata / Ge-ncs:Si3N4 / substrat de Si sau cuart / contact spate) cu parametrii buni de fotodetector. Conform proiectului, fotodetectorul care reprezinta demonstratorul in proiect va avea un raport fotocurent / curent de intuneric (on/off ratio) de 1-2 ordine de marime, raspuns spectral extins in infrarosu apropiat (NIR), responsivitate mare, detectivitate buna si timp de raspuns rapid.

Etapa I / 2018 are ca obiectiv principal fabricarea si testarea de probe test preliminare. Acest obiectiv a fost realizat in cadrul urmatoarelor activitati din Planul de Realizare: -Depunerea de filme de Ge-Si3N4 prin pulverizare catodica cu magnetron. (partea I); -Nanostructurarea filmelor in conditii controlate (in-situ ori RTA ori cuptor clasic) in diferite gaze inerte (N2, Ar). (partea I);-Proiectarea si fabricarea mastilor pentru procesul de fotolitografie necesare pentru structurarea filmelor subtiri;-Analize compozitionale si caracterizarea structurala (XPS, EDX, XRD, TEM, HRTEM, SAED). (partea I);-Testarea parametrilor optici ai filmelor. (partea I);-Testarea proprietatilor electrice si fotoelectrice a filmelor (caracteristici I – V, Iph – V, Iph – λ). (partea I);-Realizarea paginii web a proiectului.

In aceasta etapa au fost realizate doua structuri de tip fotodetector in care concentratia de Ge a fost variata intre 30 si 70 % volumice: i) Ge:Si3N4 / Si si cuart depusa pe substrat mentinut la temperatura camerei si ii) Ge:Si3N4 / Si si cuart depusa pe substrat cald intre 300 °C si 500 °C. Formarea de nanocristale/nanoclusteri in filmele de Ge:Si3N4 s-a realizat in timpul depunerii pe suport incalzit peste 400 °C si in cazul probelor depuse la temperatura camerei dupa tratamentul termic RTA la 800 °C.

Morfologia si structura pentru cele doua tipuri de filme arata ca Ge-ncs sau de Ge-dots au structura cristalina cubica, aceste Ge-ncs (dots) au distributii spatiale dependente de temperatura suportului in timpul depunerii (la cald) sau de temperatura de tratament RTA, si de asemenea de concentatia de Ge in matrice de Si3N4.

Caracteristicile IV masurate pe filmele de Ge:Si3N4 / Si prezinta fotocurent mai mare cu minimum doua ordine de marime raporat la curentul de intuneric in filmele depuse in-situ pe substrat cald la 500 °C, demonstrand ca aceste filme sunt adecvate pentru fabricarea fotodetectorilor. In plus, dependenta spectrala a fotocurentului pe filmele de Ge:Si3N4 prezinta banda larga de sensibilitate intre 520 – 1278 nm pentru filme de Ge:Si3N4 (70%:30%) depuse la 300 °C si  470 – 1340 nm pentru filmele de Ge:Si3N4 (30%:70%) obtinute pe substrat la 500 °C.

Pagina web la adresa: http://infim.ro/en/project/vis-nir-photodetectors-based-on-germanium-nanocrystals-embedded-into-silicon-nitride-geminiphotodet/  a fost creata.

 

 

1) GeSi nanocrystals in SiO2 matrix with extended photoresponse in near infrared, I. Stavarache, L. Nedelcu, V.S. Teodorescu, V.A. Maraloiu, I. Dascalescu, M. L. Ciurea, 41st Edition of International Semiconductor Conference (CAS), pp. 253-256, 2018 October 10-12, Sinaia, Romania

IEEE Catalog Number: CFP18CAS-USB
ISBN: 978-1-5386-4481-2

2) Ge nanoparticles in SiO2 for near infrared photodetectors with high performance, Ionel Stavarache, Valentin Serban Teodorescu, Petronela Prepelita, Constantin Logofatu, and Magdalena Lidia Ciurea, trimis spre publicare

Dr. Ionel Stavarache

Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor

Magurele, Ilfov, PO BOX MG-7, 077125

e-mail: stavarache@infim.ro

Romania