Dispozitive optoelectrice pe baza de nanocristale de SiGeSn in matrice oxidica – NcSiGeSnOPELD


Project Director: Dr. Magdalena Lidia CIUREA
ID-ul Proiectului: 122 din 12/07/2017 (PN-III-P4-ID-PCE-2016-0552)
Director de Proiect: Dr. Magdalena Lidia Ciurea
Tipul proiectului: National
Programul de incadrare al proiectului: Programul 4 - Cercetare fundamentala si de frontiera: Proiecte de Cercetare Exploratorie
Finantare: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii - UEFISCDI
Contractor: INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR
Status: In progress
Data de inceput: Wednesday, 12 July, 2017
Data finalizarii: Tuesday, 31 December, 2019
Rezumatul Proiectului NcSiGeSnOPELD:
Scopul proiectului este fabricarea unor dispozitive optoelectrice complet noi pe baza de nanocristale (ncs) de SiGeSn imersate in matrice oxidica pentru domeniul NIR-VIS, si anume senzori optici si dispozitive fotovoltaice. Vom folosi o noua abordare, si anume SiGeSn va fi obtinut prin alierea Sn cu SiGe si apoi nanostructurat.

Obiectivele specifice ale proiectului sunt: O1) fabricarea de probe test pe baza de ncs SiGeSn inglobate in SiO2, pentru cele 2 dispozitive, optic si fotovoltaic (depunere prin pulverizare cu magnetron, tratament termic, contacte electrice); O2) caracterizarea complexa a probelor test privind structura, compozitia, cristalinitatea, morfologia ncs, proprietatile electrice si optice si corelarea lor; O3) simularea celor 2 dispozitive; O4) fabricarea si caracterizarea senzorului optic; O5) fabricarea si caracterizarea dispozitivului fotovoltaic; O6) evaluarea performantelor celor 2 tipuri de dispozitive pe baza de ncs SiGeSn. Realizarea acestor obiective conduce la obtinerea de rezultate noi si originale dincolo de stadiul actual al cunoasterii.
Proiectul are impact atat stiintific cat si tehnologic (elucidarea formarii ncs in aliaje ternare, a proceselor de fotogenerare si colectare a sarcinii electrice; fabricarea de dispozitive cu parametri tintiti), dar si economic si social (tehnologii mai ieftine si prietenoase cu mediul pentru fabricarea de dispozitive optoelectrice; formarea de doctoranzi in domeniul proiectului). Rezultatele proiectului vor fi publicate in 5 lucrari ISI si 1 aplicatie de brevet de inventie.
Pentru implementarea proiectului se vor folosi echipamente din infrastructura institutului INCDFM.
Directorul de proiect are contributii importante stiintifice si tehnologice in domenii direct legate de tematica proiectului, si anume Filme nanostructurate, Dispozitive fotovoltaice si Stress la nanoscala si efectul produs asupra proprietatilor electrice. Membrii echipei au expertiza relevanta si complementara in tematica proiectului.

Obiectivele proiectului: 

Obiectivul proiectului este fabricarea unor dispozitive optoelectrice complet noi pe baza de nanocristale din sistemul SiGeSn imersate in matrice oxidica pentru domeniul NIR-VIS, si anume senzori optici si dispozitive fotovoltaice. Vom folosi o noua abordare in cadrul careia nanocristalele din sistemul SiGeSn vor fi obtinute prin alierea Sn cu SiGe urmata de nanostructurare.

Echipe: 
  • Dr. Magdalena Lidia Ciurea - Director de Proiect 
  • Dr. Ionel Stavarache
  • Dr. Toma Stoica
  • Dr. Sorina Lazanu
  • Dr. Valentin Serban Teodorescu
  • Dr. Ana-Maria Lepadatu
  • Dr. Adrian Slav
  • Dr. Catalin Palade
  • Pozitie vacanta pentru Doctorand
  • 10 Decembrie 2020: Ioana Dascalescu - sustinere publica a tezei de doctorat cu titlul „Studiul proprietăților electrice ale unor nanostructuri din sistemul SiGeSn”, Conducator de doctorat Dr. Magdalena Lidia Ciurea, Directorul prezentului proiect de cercetare.
  • Premiul pentru cea mai buna lucrare din sectiune, "Best Paper Award" din cadrul conferintei IEEE CAS 2018, acordat lucrarii "GeSi nanocrystals in SiO2 matrix with extended photoresponse in near infrared", autori I. Stavarache, L. Nedelcu, V.S. Teodorescu, V.A. Maraloiu, I. Dascalescu, M.L. Ciurea

REZUMAT

Scopul proiectului NcSiGeSnOPELD a fost fabricarea a doua dispozitive optoelectronice – senzor optic si dispozitiv fotovoltaic – pe baza de nanocristale (NC) din sistemul SiGeSn imersate in matrice oxidica, pentru VIS-NIR.

Pentru aceasta, am urmarit urmatoarele obiective:

O1) fabricarea probelor test pe baza de NC de SiGeSn inglobate in SiO2 pentru senzor optic si dispozitiv fotovoltaic;

O2) caracterizarea complexa a probelor test privitor la structura, compozitie, cristalinitatea, morfologia NC, proprietati optice si corelarea proprietatilor;

O3) simularea senzorului optic si a dispozitivului fotovoltaic;

O4) fabricarea si caracterizarea senzorului optic;

O5) fabricarea si caracterizarea dispozitivului fotovoltaic.

Desfasurarea in timp a activitatilor in cadrul proiectului a urmarit indeaproape planul de lucru prevazut initial. Toate probele au fost preparate prin pulverizare cu magnetron (MS) si tratament termic rapid (RTA).

Astfel, in Etapa I am realizat si caracterizat filme formate din NC de SiGe si respectiv NC de GeSn imersate in matrice oxidica de SiO2 sau de TiO2Filmele de SiGe-SiO2 cu compozitia Si:Ge:SiOde 25:25:50 prezinta morfologii asemanatoare pentru temperaturi de tratament intre 650 si 1000 oC, fiind formate din NC SiGe imersate in SiO2, care au diametre de 5 – 10 nm si respectiv 10 – 20 nm pentru RTA 650 oC si 1000 oC. Din masurarile optice de transmisie si reflexie s-a obtinut coeficientul de absorbtie α in functie de energie in intervalul 0,5 – 4,5 eV pentru probele cu concentratii de Si:Ge:SiO2 de 7,5:42,5:50 si respectiv 12,5:37,5:50 proaspat depuse si tratate RTA la 800 oC. Curbele α1/2 – E (reprezentare Tauc) pentru probe proaspat depuse sunt monotone, iar valorile lui α corespunzatoare probei cu continut redus de Si fata de Ge (proba 7,5:42,5:50) sunt mai mari. Curbele α1/2 – E pentru probe tratate RTA la 800 oC sunt nemonotone, ceea ce demonstreaza formarea de NC de SiGe. Rezultatele experimentale sunt in bun acord cu rezultatele obtinute din simulare pentru concentratii apropiate de cele experimentale. Filmele de SiGe-TiO2 au morfologie dependenta in principal de concentratia relativa Si:Ge. Astfel, la concentratie Si:Ge:TiO2 de 35:40:25 se formeaza NC de SiGe cu continut ridicat de Ge si NC de TiOpentru pentru temperaturile RTA de 775, 800 si 825 oC. Pentru concentratie Si:Ge:TiO2 de 25:25:50 filmele tratate la 800 oC contin doar TiO2 (nano)cristalizat sub forma de anatas si rutil (nu se evidentiaza prezenta SiGe cristalizat). In filmele cu concentratie Si:Ge:TiO2 de 45:35:20 (RTA 800 oC) se formeaza de asemenea NC de SiGe cu structura cubica si NC de suboxizi de Ti sau structuri de tip GeTiO. Curbele α1/2 – E (reprezentare Tauc) corespunzatoare probelor cu compozitie Si:Ge:TiO= 35:40:25 proaspat depuse si tratate RTA la 800 oC sunt monotone pentru proba proaspat depusa si nemonotone pentru probele tratate RTA (comportare asemanatoare cu proba SiGe-SiO2), evidentiind, de asemenea, formarea de NC de SiGe. Cele mai bune filme de GeSn-SiO2 cu continut ridicat de Sn de 10% – 15% si cu continut de SiO2 de 10% – 15% s-au obtinut pentru tratament RTA la 400 oC, tratament care a condus la formarea de NC de GeSn cu concentratie ridicata de Sn de 14% si dimensiuni de 5 – 10 nm, fara segregarea b-Sn dar cu nanocristalizarea GeSn.

In Etapa a II-a am realizat structuri din aliaje ternare SiGeSn, structuri multistrat prin repetarea depunerii de nanostraturi de SiGeSn/SiO2 de un numar de 5 si 20 de ori, precum si probe de SiGeSn-HfO2. Concentratiile aliajelor (SiyGe1-y)1-xSnx au fost variate prin folosirea de tinte de SiGe de diverse compozitii si prin controlul conditiilor de plasma de pulverizare pentru co-depunerea de SiGe si Sn. Probele test pe baza de nanocristale de SiGeSn si SiGeSn/SiOsunt fotosensibile intr-un domeniu larg de lungimi de unda, 0.50 – 1.35 µm. Un domeniu de sensibilitate mult mai extins a fost gasit la probele de SiGeSn-HfO2 la care fotocurentul a fost detectat in IR pana la lungimi de unda de 1.75 µm. Simularile din aceasta etapa privind aliajele ternare SiGeSn au aratat extinderea in IR a coeficientului de absorptie la SiGeSn fata de straturile de SiGe, prin adaosul de Sn.

In Etapa a III-a am continuat investigarea proceselor de fabricare, optimizare si caracterizare de straturi si structuri pe baza de NC de (Ge1-xSix)1-ySny in matrice oxidica, pentru realizarea de senzor optic si dispozitiv fotovoltaic. Am definit demonstratorii corespunzatori dispozitivului fotovoltaic si senzorului optic prin parametrii de functionare responsivitate R si detectivitate specifica D*. Demonstratorii au fost fabricati utilizand parametrii tehnologici corespunzatori celor mai bune structuri.

Am creat si actualizat pagina web a proiectului la adresa: http://www.infim.ro/ro/projects/dispozitive-optoelectrice-pe-baza-de-nanocristale-de-sigesn-matrice-oxidica.

Rezultatele prevazute in planul de realizare pentru intregul proiect au fost depasite(i) am publicat 12 articole (6 prevazute), dintre care 8 in reviste cotate ISI(ii) am prezentat la conferinte internationale 9 comunicari (6 prevazute), dintre care 1 lucrare invitata si 6 lucrari orale(iii) am depus la OSIM 1 aplicatie de brevet de inventie(iv) am realizat 2 dispozitive-demonstrator1 senzor optic si 1 dispozitiv fotovoltaic(v) am angrenat tineri in activitatile proiectului (1 lucrare de doctorat in faza finala de redactare, 1 tanar admis la studii doctorale1 lucrare de dizertatie finalizata, toate in tematica proiectului).

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Contractul PCE Nr. 122 /2017, Dispozitive optoelectrice pe baza de nanocristale de SiGeSn in matrice oxidica - NcSiGeSnOPELD au fost integral realizate.

 

REZUMATUL ETAPEI III

Scopul proiectului NcSiGeSnOPELD este fabricarea a doua dispozitive optoelectronice – senzor optic si dispozitiv fotovoltaic – pe baza de nanocristale (NC) din sistemul SiGeSn imersate in matrice oxidica, pentru VIS-NIR.

In Etapa III am urmarit extinderea in IR a senzitivitatii structurilor pe baza de NC de (Ge1-xSix)1-ySny in matrice oxidica de SiO2. Pentru aceasta ne-am propus sa crestem continutul de Sn si sa scadem concentratia de Si fata de Ge. Am preparat straturi cu x = 5% si y = 14-19%. Am preparat filmele prin pulverizare cu magnetron (MS) atat prin codepunere de SiGe-Sn-SiO2 cat si multistraturi de SiGeSn/SiO2, urmate de tratamente termice RTA pentru nanocristalizare. Am ales sa folosim in continuare straturi codepuse, in principal pentru ca fenomenul de nanocristalizare se poate realiza intr-un mod mult mai uniform in grosimea stratului. Temperatura de tratament termic RTA a fost variata in domeniul 380 -550 oC. Am preparat si investigat 3 tipuri de probe: cu continut moderat (~14 %) si crescut de Sn (~19 %) depuse direct pe substrat de Si, si cu continut moderat de Sn (~14 %), depuse pe buffer de SiGe.

In probele cu continut moderat de Sn depuse pe substrat de Si, se obtine o buna nanocristalizare in urma tratamentului la 520 oC. Odata cu cresterea concentratiei de Sn la 19%, nanocristalizarea apare la temperaturi mult reduse (430 oC), si este insotita de o usoara segregare a Sn. O scadere a temperaturii de nanocristalizare a fost observata si in proba in care stratul activ se depune pe buffer de SiGe, explicata prin faptul ca la interfata stratului de SiGeSn-SiO2 cu bufferul de SiGe (liber de oxid) se pot crea nuclee de SiGeSn ce pot facilita procesul de nanocristalizare din stratul de SiGeSn-SiO2 la temperaturi mai scazute.

Masuratorile fotoelectrice s-au realizat pe probe cu electrozi transparenti de ITO. Pe baza acestor masuratori s-au selectat structurile pentru dispozitiv fotovoltaic si senzor optic.

S-au obtinut dispozitive fotovoltaice si senzori optici optimizati, folosind atat straturi cu continut moderat (~14 %) cat si straturi cu continut crescut (~19 %) de Sn. Fiecare dintre aceste tipuri de straturi prezinta performate superioare in anumite conditii legate de modul de functionare fotovoltaic si senzor cu polarizare electrica, precum si de intensitatea si tipul de iluminare monocromatic sau in lumina integrala. Cele doua tipuri de straturi sunt caracterizate prin aceleasi valori ale concentatiilor de Si x=5% si de SiO2 ~15%.

La dispozitivul fotovoltaic, responsivitatea spectrala si dependenta spectrala a tensiunii de gol sunt superioare dispozitivelor realizate pe baza de strat cu continut mediu de Sn, tratat la 520 oC, atingand la temperatura camerei valori de 14 mA/W in domeniul VIS-NIR, intr-un maxim intens larg de pana la 1350 nm, si prezentand sensibilitate extinsa pana la 2000 nm. In lumina integrala mai intensa, de ordinul 10 mW/cm2 , dispzitivele fotovoltaice pe baza de strat cu continut ridicat de Sn sunt ceva mai performante privind tensiunea de gol, responsivitatea in curent de scurt-circuit atingand valori de aproape 10 mA/W la temperatura camerei.

La senzori optici, in regim de polarizare electrica externa, responsivitatea si detectivitatea specifica spectrala la temperatura camerei sunt superioare in cazul dispozitivelor pe baza de strat cu continut moderat de Sn tratati la 520 oC. Se ating astfel valori de responsivitate de 65 mA/W si detectivitati specifice de 1011 cm Hz1/2 W-1 la o polarizare electrica de 3 V, in domeniul VIS-NIR, la temperatura camerei. La iluminare cu lumina integrala, responsivitatea este net superioara in cazul senzorilor pe baza de strat cu continut ridicat de Sn, atingand valori la temperatura camerei de 100 mA/W la polarizare de 1V, dar detectivitatea specifica la temperatura camerei este egala cu 2.0 1010 cm Hz1/2 W-1 la ambele tipuri de senzori.

S-a actualizat pagina web a proiectului la adresa: http://www.infim.ro/ro/projects/dispozitive-optoelectrice-pe-baza-de-nanocristale-de-sigesn-matrice-oxidica.

In Etapa III/2019 am publicat si am trimis spre publicare 9 lucrari ISI dintre care 7 in reviste cotate ISI si 2 in proceedings-uri indexate ISI  impreuna cu 5 comunicari la conferinte. S-a depus la OSIM o cerere de brevet de inventie.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa III/2019 au fost integral realizate.

 

REZUMATUL ETAPEI II

Scopul proiectului NcSiGeSnOPELD este fabricarea a doua dispozitive optoelectronice – senzor optic si dispozitiv fotovoltaic – pe baza de nanocristale (NC) din sistemul SiGeSn imersate in matrice oxidica, pentru VIS-NIR.

In Etapa II s-au realizat structuri cu aliaje ternare SiGeSn, structuri multistrat prin repetarea depunerii de nanostraturi de SiGeSn/SiO2 de un numar de 5 si 20 de ori, precum si probe de SiGeSn-HfO2. Punctul de plecare au fost filmele pe baza de componente binare din sistemul SiGeSn, si anume filme formate din nanocristale de SiGe (NC SiGe) si respectiv NC GeSn imersate in matrice oxidica de SiO2 realizate in cadrul Etapei I. Ca si in etapa precedenta, toate filmele au fost depuse prin pulverizare cu magnetron (MS) si au fost nanostructurate prin tratamente termice rapide (RTA) in conditii controlate de temperatura, durata si flux de gaz.

Concentratiile aliajelor (SiyGe1-y)1-xSnx au fost variate prin folosirea de tinte de SiGe de diverse compozitii si prin controlul conditiilor de plasma de pulverizare pentru co-depunerea de SiGe si Sn. Probele de SiGeSn-HfO2 au fost realizate prin codepuneri de SiGe, Sn si HfO2. S-au testat doua tipuri de aliaje de SiGe cu concentratii diferite de SiyGe1-y cu valori y= 10% si 50%. Concentratia de Sn in (SiyGe1-y)1-xSnx a fost variata prin controlul puterii in plasma, x= 3, 6 si 9%.

Structurile astfel depuse au fost supuse tratamentelor termice RTA pentru nanocristalizare, realizand astfel probele test. Procesul de cristalizare a fost investigat prin masuratori de HRTEM, EDX si XPS. Este cunoscut faptul ca alierea cu Sn a Ge amorf face ca temperatura de cristalizare sa scada considerabil. Prezenta Si in aliajul ternar SiGeSn face ca temperatura de cristalizare sa creasca. Astfel, daca la GeSn prezentat in raportul de faza anterior cristalizarea se realiza in domeniul de temperaturi 300-450 oC, depinzand de concentratia de Sn, la SiGeSn analizat in aceasta etapa, temperastura de cristalizare creste la 500-550oC.

Asa dupa cum rezulta din investigarea probelor test din aceasta etapa, nanocristalizarea este insotita de segregarea de Sn in clusteri de SiGeSn bogati in Sn, segregare care ajuta prin continutul crescut de Sn la formarea de nanocristale. In acest fel se poate explica faptul observat prin XRD si HRTEM ca nanocristalele de SiGeSn pot avea concentratii mai mari de Sn decat media din strat intr-o prima faza de formare a lor. Formarea de NC de SiGeSn este insotita insa si de difuzia Sn catre suprafata, asa cum rezulta din XPS, difuzie favorizata si de temperatura mai ridicata la SiGeSn necesara cristalizarii. Ca urmare, intervalul de temperatura in care trebuie realizat tratamentul termic pentru nanocristalizarea SiGeSn este restrans in comparatie cu cel de la GeSn.

Procesele de cristalizare au prezentat aceleasi caracteristici cu cele de la straturile de SiGeSn si in cazul probelor test multistrat SiGeSn/SiO2 precum si la cele codepuse de tip SiGeSn-HfO2. Astfel, regimul de tratament a fost limitat la acelasi domeniu de temperaturi 500-550 oC si in cazul realizarii de nanocristale de SiGeSn in oxid.

Structuri test de diode au fost realizate prin depuneri de electrod transparent de ITO deasupra straturilor continand NC de SiGeSn, si electrod de Al pe spatele suportului de Si. S-au realizat astfel diode redresoare pe baza heterojonctiunii straturilor de SiGeSn, multistrat SiGeSn/SiO2 si codepuse SiGeSn-HfO2, cu suportul de Si. Caracterul redresor a fost relevat prin masuratori ale curbelor I-V la divese temperaturi, dar si prin masuratori de fotocurent spectral.

Probele test pe baza de nanocristale de SiGeSn si SiGeSn/SiOsunt fotosensibile intr-un domeniu larg de lungimi de unda, 0.50 – 1.35 µm. Un domeniu de sensibilitate mult mai extins a fost gasit la probele de SiGeSn-HfO2 la care fotocurentul a fost detectat in IR pana la lungimi de unda de 1.75 µm.

Simularile din aceasta etapa privind aliajele ternare SiGeSn au reprezentat o continuare a celor din faza anterioara privind aliajele binare SiGe si GeSn. Au fost facute calcule de constante optice la SiGeSn si SiGeSn-SiO2 pentru diverse concentratii de Si, Sn si SiO2 corespunzand valorilor explorate experimental. Simularile au aratat extinderea in IR a coeficientului de absorptie la SiGeSn fata de straturile de SiGe, prin adaosul de Sn. Cresterea absorptiei de energie dintr-un spectru solar arata ca adaosul de Sn la probe continand un procent mai mare de Si poate atinge valori semnificative, recomadand astfel de straturi pentru dispozitive pentru IR.

S-a actualizat pagina web a proiectului la adresa: http://www.infim.ro/ro/projects/dispozitive-optoelectrice-pe-baza-de-nanocristale-de-sigesn-matrice-oxidica.

Din cele prezentate mai sus reiese ca rezultatele prevazute in planul de realizare pentru Etapa II (# Probe test pentru senzor optic caracterizat structural, optic si electric; # 2 lucrari ISI; # 1 comunicare) au fost integral realizate, si partial depasite. Am publicat 4 articole in reviste ISI, si am prezentat la conferinte internationale 2 comunicari orale.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa II/2018 au fost integral realizate.

 

REZUMATUL ETAPEI I

Scopul proiectului NcSiGeSnOPELD este fabricarea a doua dispozitive optoelectronice – senzor optic si dispozitiv fotovoltaic – pe baza de nanocristale (NC) din sistemul SiGeSn imersate in matrice oxidica, pentru VIS-NIR.

In Etapa I ne-am propus sa realizam filme pe baza de componente binare din sistemul SiGeSn, si anume filme formate din nanocristale de SiGe (NC SiGe) si respectiv NC GeSn imersate in matrice oxidica de SiO2 sau de TiO2. Toate filmele au fost depuse prin pulverizare cu magnetron (MS) si au fost nanostructurate prin tratamente termice rapide (RTA) in conditii controlate de temperatura, durata si flux de gaz.

Pentru realizarea acestui obiectiv s-au facut ● studii pentru gasirea parametrilor de depunere MS si de tratament RTA pentru filme cu compozitii diferite, ● s-au testat iterativ filmele preparate pentru modificarea conditiilor de preparare in functie de rezultatele obtinute din teste, ● s-au facut incercari pentru depunerea de contacte electrice prin evaporare termica si in fascicul de electroni si ● s-au simulat parametrii optici (indice de refractie si coeficient de extinctie din care s-a obtinut coeficientul de absorbtie) ai materialelor din care se vor realiza cele doua dispozitive. De asemenea ● s-a estimat curentul de scurt-circuit in functie de concentratia de SiGe si respectiv de GeSn in oxid.

Filmele de SiGe-SiO2 au fost depuse MS pe plachete de Si (100) de tip n in atmosfera de Ar la o presiune de lucru de 4 mTorr. In aceasta etapa, au fost depuse filme cu 3 compozitii pentru Si:Ge:SiO2 si anume 25:25:50, 12,5:37,5:50 si respectiv 7,5:42,5:50. Nanocristalizarea filmelor s-a efectuat prin tratamente RTA in N2, la temperaturi de 650, 800 si 1000 oC. Investigatiile HRTEM efectuate pe proba cu compozitia 25:25:50 tratata la 650 oC arata ca aceste filme sunt formate din NC de SiGe cu diametre de 5 – 10 nm inglobate in matricea amorfa de SiO2, pe cand in filmul tratat la 1000 oC NC de SiGe sunt mai mari (10 – 20 nm diametru).

S-au efectuat masurari optice de transmisie si reflexie pe probele cu concentratii de Si:Ge:SiO2 de 7,5:42,5:50 si respectiv 12,5:37,5:50, proaspat depuse si tratate RTA la 800 oC, din care s-a obtinut coeficientul de absorbtie α in functie de energie in intervalul 0,5 – 4,5 eV (α1/2 – E reprezentare Tauc). Curbele α1/2 – E pentru probe proaspat depuse sunt monotone, iar valorile lui α sunt mai mari pentru proba cu continut redus de Si fata de Ge (proba 7,5:42,5:50). Curbele α1/2 – E pentru probe tratate RTA sunt nemonotone, ceea ce demonstreaza formarea de NC de SiGe. Rezultatele experimentale sunt in bun acord cu rezultatele obtinute din simulare pentru concentratii apropiate de cele experimentale.

Filmele de SiGe-TiO2 au fost depuse prin MS in Ar (presiune de lucru de 4 mTorr) pe plachete de Si (100) de tip p, oxidate RTO in prealabil. Au fost depuse filme cu 3 compozitii de Si:Ge:TiO2 si anume 25:25:50, 35:40:25 si respectiv 45:35:20. Pentru nanostructurare, filmele au fost tratate RTA la temperaturi de 775, 800 si 825 oC in Ar. Toate filmele tratate RTA cu compozitia 35:40:25 sunt formate din NC de SiGe cu continut ridicat de Ge si cu structura cubica, si de NC de TiO2 cu structura de rutil (difractograme XRD si imagini HRTEM), cele mai bune fiind cele tratate la 800 oC. Filmele cu compozitia 25:25:50 si RTA la 800 oC contin doar TiO2 (nano)cristalizat sub forma de anatas si rutil (nu evidentiaza prezenta SiGe cristalizat), pe cand  cele cu compozitia 45:35:20 si tratate la aceeasi temperatura prezinta NC de SiGe cu structura cubica si NC de suboxizi de Ti sau structuri de tip GeTiO.

Din masurarile de transmisie si reflexie pe probele cu compozitie Si:Ge:TiO= 35:40:25, proaspat depuse si tratate RTA la 800 oC, s-au obtinut curbele α1/2 – E pe intervalul 1,2 – 3,2 eV. Ca si in cazul filmelor SiGe-SiO2, aceste curbe sunt monotone pentru probele proaspat depuse si nemonotone pentru probele tratate RTA, aratand de asemenea formarea de NC de SiGe.

Filmele de GeSn-SiO2 au fost depuse prin MS pe suporti de Si (100) de tip p, in atmosfera de Ar la presiunea de lucru de 4 mTorr. S-a urmarit realizarea de filme cu continut ridicat de Sn de 10-15%, si respectiv de 10-15% SiO2. Nanocristalizarea straturilor amorfe proaspat depuse s-a realizat prin tratament RTA la temperaturi de 250, 350, 400 si 450 oC. Pentru filmele cu 10-12% Sn si in jur de 10% SiO2, temperatura optima de tratament RTA este de 400 oC. Aceste filme sunt formate din NC de GeSn cu continut de 14% Sn, mai mare decat media in strat de 12% (EDX, HRTEM, XRD). Din masurarile optice (transmisie si reflexie) s-a calculat coeficientul de absorbtie in functie de energie din care s-a obtinut pragul optic de 0,44 eV pentru concentratie de Sn 14% si respectiv de 0,37 eV pentru continut de 16 % Sn. Aceste praguri corespund lungimilor de unda de 2,82 µm si respectiv 3,35 µm.

S-au realizat simulari pentru obtinerea parametrilor optici si anume indicele de refractie si coeficientul de extinctie in functie de energia fotonilor, din care s-a obtinut coeficientul de absorbtie pentru cele 3 tipuri de filme formate din NC de SiGe imersate in TiO2 sau in SiO2 si respectiv NC de GeSn in SiO2 cu diferite compozitii. Pentru determinarea parametrilor optici s-a folosit aproximatia mediului efectiv in varianta Bruggeman. De asemenea s-a estimat curentul de scurt-circuit in functie de concentratia de SiGe si respectiv de GeSn in oxizi.

S-a creat  pagina web a proiectului  a carei adresa estehttp://www.infim.ro/ro/projects/dispozitive-optoelectrice-pe-baza-de-nanocristale-de-sigesn-matrice-oxidica.

Din cele prezentate mai sus reiese ca rezultatele prevazute in planul de realizare pentru Etapa I (# Filme din sistemul SiGeSn-oxid nanostructurate testate preliminar; # 1 comunicare la o conferinta internationala) au fost integral realizate, unele dintre ele fiind depasite (ex. # 1 lucrare trimisa spre publicare si 2 lucrari prezentate la conferinte in plus).

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa I/2017 au fost integral realizate.

Atragerea tinerilor in tematica proiectului

  • Ioana Dascalescu - sustinere publica (10.12.2020) a tezei de doctorat cu titlul „Studiul proprietăților electrice ale unor nanostructuri din sistemul SiGeSn”, Conducator de doctorat Dr. Magdalena Lidia Ciurea, Directorul prezentului proiect de cercetare.
  • Ioana Dascalescu se afla in etapa de finalizare a redactarii tezei de doctorat cu titlul „Studiul proprietăților electrice ale unor nanostructuri din sistemul SiGeSn”, Conducator de doctorat Dr. M.L. Ciurea.
  • Ovidiu Cojocaru a prezentat Lucrarea de Dizertatie (Facultatea de Fizica, Universitatea din Bucuresti, iulie 2019) cu titlul „Study of Ge nanocrystals embedded in TiO2 films with photosensitive properties in VIS-NIR”, Conducatori stiintifici Dr. Magdalena Lidia Ciurea, Directorul prezentului proiect de cercetare si Dr. Alexandru Nemnes.
  • Ovidiu Cojocaru a fost admis in septembrie 2019 la studii de doctorat, Scoala Doctorala a Facultatii de Fizica, Univesitatea din Bucuresti, Conducator Stiintific Dr. Magdalena Lidia Ciurea, Directorul prezentului proiect de cercetare, in tematica „Proprietati fotoelectrice ale nanostructurilor cu SiGeSn in corelatie cu structura energetica”.

 

  • Ovidiu Cojocaru a participat la Scoala de vara GraFOx Summer School on Oxide Semiconductors for Smart Electronic Devices, 3-9 iunie 2019, Loveno di Menaggio (CO) – Italia, cu posterul “Ge nanocrystals in TiO2 films for near infrared optical sensors" - O. Cojocaru, I. Dascalescu, C. Palade, A. Slav.

Publicatii:

Lucrari ISI:

  1. „GeSn/SiO2 multilayers by magnetron sputtering deposition for short-wave infrared photonics”, A. Slav, I. Dascalescu, A.-M. Lepadatu, C. Palade, N.C. Zoita, H. Stroescu, S. Iftimie, S. Lazanu, M. Gartner, D. Buca, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, M. Braic, T. Stoica, ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 56161 (2020), DOI: 10.1021/acsami.0c15887
  2. „Influence of SiGe nanocrystallization on short-wave infrared sensitivity of SiGe-TiO2 films and multilayers”, A.-M. Lepadatu, C. Palade, A. Slav, O. Cojocaru, V.A. Maraloiu, S. Iftimie, F. Comanescu, A. Dinescu, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, J. Phys. Chem. C 124, 25043 (2020), DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c06290
  3. „SiGe nanocrystals in SiO2 with high photosensitivity from visible to short-wave infrared”, I. Stavarache, C. Logofatu, M.T. Sultan, A. Manolescu, H.G. Svavarsson, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, Sci. Rep. 10, 3252 (2020), DOI: 10.1038/s41598-020-60000-x
  4. „Epitaxial GeSn obtained by high power impulse magnetron sputtering and the heterojunction with embedded GeSn nanocrystals for SWIR detection”, I. Dascalescu, N.C. Zoita, A. Slav, E. Matei, S. Iftimie, F. Comanescu, A.M. Lepadatu, C. Palade, S. Lazanu, D. Buca, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, M. Braic, T. Stoica, ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 33879 (2020), DOI: 10.1021/acsami.0c06212
  5. „Ge nanoparticles in SiO2 for near infrared photodetectors with high performance”, I. Stavarache, V. S. Teodorescu, P. Prepelita, C. Logofatu, M. L. Ciurea, Sci. Rep. 9, 10286 (2019), DOI: 10.1038/s41598-019-46711-w
  6. „Enhanced photoconductivity of SiGe nanocrystals in SiO2 driven by mild annealing”, M. T. Sultan, A. Manolescu, J. T. Guðmundsson, K. Torfason, G. A. Nemnes, I. Stavarache, C. Logofatu, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, H. G. Svavarsson, Appl. Surf. Sci. 469, 870 – 878 (2019), DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.11.061
  7. „Enhanced photoconductivity of embedded SiGe nanoparticles by hydrogenation”, M. T. Sultan, J. T. Gudmundsson, A. Manolescu, T. Stoica, M. L. Ciurea, H. G. Svavarsson, Appl. Surf. Sci. 479, 403 – 409 (2019), DOI: 1016/j.apsusc.2019.02.096
  8. „Fabrication and characterization of Si1−xGex nanocrystals in as-grown and annealed structures: a comparative study”, M. T. Sultan, A. V. Maraloiu, I. Stavarache, J. T. Gudmundsson, A. Manolescu, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, H. G. Svavarsson, Beilstein J. Nanotechnol. 10, 1873 – 1882 (2019), DOI: 10.3762/bjnano.10.182
  9. „Efficacy of annealing and fabrication parameters on photo-response of SiGe in TiO2 matrix”, M. T. Sultan, J. T. Gudmundsson, A. Manolescu, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, H. G. Svavarsson, Nanotechnology 30, 365604 (2019), DOI: 10.1088/1361-6528/ab260e
  10. „Photo-electrical properties of thin films with Ge nanoparticles embedded in TiO2 matrix”, I. Stavarache, V. Maraloiu, Rom. Rep. Phys. 71, 504 (2019)
  11. „GeSn nanocrystals in GeSnSiO2 by magnetron sputtering for short-wave infrared detection”, A. Slav, C. Palade, C. Logofatu, I. Dascalescu, A.-M. Lepadatu, I. Stavarache, F. Comanescu, S. Iftimie, S. Antohe, S. Lazanu, V. S. Teodorescu, D. Buca, M. L. Ciurea, M. Braic, T. Stoica, ACS Appl. Nano Mater. 2, 3626 − 3635 (2019), DOI: 10.1021/acsanm.9b00571
  12. „Dense Ge nanocrystals embedded in TiO2with exponentially increased photoconduction by field effect”, A.-M. Lepadatu, A. Slav, C. Palade, I. Dascalescu, M. Enculescu, S. Iftimie, S. Lazanu, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, T. Stoica, Sci. Rep. 8, 4898 (2018), DOI: 10.1038/s41598-018-23316-3
  13. “Controlling SWIR photosensitivity limit by composition engineering: from Ge to GeSi nanocrystals embedded in TiO2”, I. Dascalescu, O. Cojocaru, I. Lalau, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, S. Lazanu, T. Stoica, M.L. Ciurea, in Proceedings of IEEE CAS 2019, pp. 37-40 (2019), IEEE Catalog Number: CFP19CAS-USB, ISBN: 978-1-7281-1887-1
  14. “High performance NIR photosensitive films of Ge nanoparticles in Si3N4”, I. Stavarache, P. Prepelita, I. Lalau, O. Cojocaru, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, Proceedings of IEEE CAS 2019, pp. 225-228 (2019), IEEE Catalog Number: CFP19CAS-USB, ISBN: 978-1-7281-1887-1
  15. „Enhanced photocurrent in GeSi NCs / TiO2 multilayers”, C. Palade, A. Slav, O. Cojocaru, V. S. Teodorescu, S. Lazanu, T. Stoica, M. T. Sultan, H. G. Svavarsson, M. L. Ciurea, IEEE CAS Proceedings, pp. 73 – 76 (2018), DOI: 10.1109/SMICND.2018.8539740
  16. „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, IEEE CAS Proceedings, pp. 253 – 256 (2018), DOI: 10.1109/SMICND.2018.8539745

 

Cerere de brevet de inventie:

  1. Cerere de brevet de inventie OSIM Nr. RO134049-A0 (publicata in BOPI, 30.04.2020), "Film de SiGeSn nanocristalin fotosensibil in VIS-SWIR si procedeu de realizare a acestuia", M.L. Ciurea, I. Stavarache, A.M. Lepadatu, S. Lazanu, T. Stoica

 

Lucrari prezentate la conferinte:

  1. „From Ge quantum dots to SiGe nanocrystals with higher stability and extended short-wave infrared sensitivity”, A.-M. Lepadatu, C. Palade, A. Slav, I. Dascalescu, O. Cojocaru, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, EMRS 2021 Fall Meeting, 20-23 septembrie 2021, virtual conference (prezentare orala).
  2. „Controlling SWIR photosensitivity limit by composition engineering: from Ge to GeSi nanocrystals embedded in TiO2”, I. Dascalescu, O. Cojocaru, I. Lalau, C. Palade, A. Slav, A. M. Lepadatu, S. Lazanu, T. Stoica, M. L. Ciurea, IEEE CAS 2019, 9-11 octombrie 2019, Sinaia (prezentare orala)
  3. „ High performance NIR photosensitive films of Ge nanoparticles in Si3N4”, I. Stavarache, P. Prepelita, I. Lalau, O. Cojocaru, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, IEEE CAS 2019, 9-11 octombrie 2019, Sinaia (poster)
  4. „New advanced materials based on SiGeSn nanocrystals in oxides for SWIR phototodetectors and non-volatile memory devices”, C. Palade, I. Stavarache, A. M. Lepadatu, A. Slav, S. Lazanu, T. Stoica, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, F. Comanescu, A. Dinescu, R. Muller, G. Stan, A. Enuica, M. T. Sultan, A. Manolescu, H. G. Svavarsson, EuroNanoForum 2019, 12-14 iunie 2019, Bucharest (poster)
  5. „Advances in Ge nanocrystals-based structures for SWIR sensors and non-volatile memories”, C. Palade, A. Slav, A. M. Lepadatu, I. Stavarache, I. Dascalescu, O. Cojocaru, I. Lalau, S. Lazanu, C. Logofatu, T. Stoica, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, IBWAP 2019, 16-19 iulie 2019, Constanta (prezentare invitata)
  6. „Extension of short-wave infrared detection by Sn alloying of Ge nanocrystals”, I. Dascalescu, A. Slav, C. Palade, C. Logofatu, A. M. Lepadatu, F. Comanescu, S. Iftimie, S. Lazanu, V.S. Teodorescu, M. L. Ciurea, M. Braic, T. Stoica, IBWAP 2019, 16-19 iulie 2019, Constanta (prezentare orala)
  7. „Enhanced photocurrent in GeSi NCs / TiO2 multilayers”, C. Palade, A. Slav, O. Cojocaru, V. S. Teodorescu, S. Lazanu, T. Stoica, M. T. Sultan, H. G. Svavarsson, M. L. Ciurea, IEEE CAS 2018, 10-12 octombrie 2018, Sinaia (prezentare orala)
  8. „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, IEEE CAS 2018, 10-12 octombrie 2018, Sinaia (prezentare orala)
  9. „Nanocrystals of GeSn alloys in oxide matrix for optoelectronic applications”, I. Stavarache, A. Slav, M. Braic, V. S. Teodorescu, P. Prepelita, C. Palade, A.-M. Lepadatu, S. Lazanu, M. L. Ciurea, D. Stange, D. Buca, T. Stoica, Applied Nanotechnology and Nanoscience International Conference – ANNIC2017, 18-20 octombrie 2017, Roma (prezentare orala)
  10. „Photosensitive GeSi/TiO2multilayers in VIS-NIR”, C. Palade, I. Dascalescu, A. Slav, A. M. Lepadatu, S. Lazanu, T. Stoica, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, F. Comanescu, R. Müller, A. Dinescu, A. Enuica, IEEE CAS 2017, 11-14 octombrie 2017, Sinaia (prezentare orala)
Dr. Magdalena Lidia Ciurea

National Institute of Materials Physics

ciurea@infim.ro


PROJECTS/ NATIONAL PROJECTS


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved