Fotodetectori cu nanocristale de GeSn in matrice de Si3N4 cu fotosensibilitate ridicata in intervalul 0.5 – 2.4 µm (GeSnPhotoSiNdet)
Project Director: Dr. Ionel STAVARACHE
Scopul proiectului este de a fabrica un demonstrator pentru dispozitive de fotodetectori cu GeSn nps (top contact/GeSn-nps:Si3N4/Si sau cuarț/contact de spate), având parametri vizați: raport fotocurent/curent de întuneric cel putin 2 ordine de marime, timp de raspuns mic:µs, domeniu spectral extins pana la 2.4µm, responsivitate ridicata si detectivitate buna. Propunem o abordare nouă și originală utilizand un strat activ care oferă o limită spectrală în SWIR datorită proprietăților Si3N4 de a induce o tensiune de intindere în film. Aceasta se obtine prin co-depunere sau depunere multistrat de diferite rapoarte și compozitii de GeSn în Si3N4. Obiective: O1. Depunerea prin MS a structurii GeSn-ncs:Si3N4/Si sau cuarț, prin diferite abordări noi. Pentru aceasta, parametrii critici de depunere (puterea pe tinte, presiunea de lucru, flux de gaz sau temperatura substratului) vor fi reglati fin pentru a fi optimizati; O2. Formarea de GeSn-ncs în matrice de Si3N4 cu morfologie controlată (dimensiune, uniformitate și densitate); O3. Dezvoltarea probelor test cu proprietati fotoconductive controlate de morfologie, complet caracterizate; O4. Obținerea demonstratorului pentru dispozitive de fotodetector cu parametri de fotodetector vizati, testat în conformitate cu TRL3. Diseminare: 1 aplicatie brevet, 3 articole ISI, 2 conferințe si pagina web.
Dr. Ionel Stavarache
Dr. Ana-Maria Lepadatu
Dr. Catalin Palade
Dr. Ioana-Maria Avram Dascalescu
Dr. Adrian Slav
Drd. Mihalcea Catalina-Gabriela
Dr. Catalin Negrila
Drd. Ovidiu Cojocaru
Etapa I/2022
In Etapa I/2022 au fost realizate structuri de fotodetector pe baza de filme de GeSnSi3N4 in care concentratia de Sn in film de a fost variata intre ~4 %vol. si ~ 18 %vol.. Filmele au fost depuse prin pulverizare cu magnetron pe substrat de Si si cuart mentinut la temperatura camerei in timpul depunerii.
Formarea de nanocristale/doturi de GeSn in filmele de GeSnSi3N4 s-a realizat prin tratament termic RTA, dupa optimizarea parametrilor necesari si anume temperaturi in intervalul 325 - 700 °C.
Morfologia si structura filmelor investigate sunt puternic dependente de concentratia de Sn in filmele de GeSnSi3N4. In filmele amorfe cu concentratie de Sn crescuta, structura este mai dilatata in sensul ca, distanta dintre atomii din prima sfera de coordinatie si a doua sfera de coordinatie este crescuta. Acest fenomen se intimpla si in GeSn cristalizat, adica creste constanta de retea odata cu cresterea concentratiei de Sn.
Investigatiile optice pun in evidenta influenta concentratiei de Sn din filme asupra pragului de absorbtie. In filmele unde concentratia de Sn este de aproximativ 18 %vol., pragul de absorbtie are valoarea de 0.5 eV fata de valoare de 0.7 eV corespunzatoare concentratie de Sn de ~4 %vol..
Caracteristicile I – V obtinute pe filme de GeSnSi3N4 / Si arata ca fotocurentul este mai mare cu 4 ordine de marime fata de curentul de intuneric si este puternic dependent de temperatura de masura. In plus, dependenta spectrala a fotocurentului pe aceste filme prezinta o banda larga de sensibilitate, in intervalul 520 – 1750 nm. Rezultatele obtinute din investigatiile optice sunt in stransa concordanta cu cele spectrale si demonstreaza ca aceste filme au proprietati fotoconductive adecvate pentru fabricarea fotodetectorilor.
In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa I/2022 au fost integral realizate.
Etapa II/2023
In Etapa II/2023 au fost realizate structuri de fotodetector pe baza de GeSnSi3N4 in care concentratia de Sn in film de a fost variata intre ~4 %vol. si ~ 18 %vol. Filmele au fost depuse prin pulverizare cu magnetron pe substrat de Si si cuart mentinut la temperatura camerei urmat de nanostructurarea filmelor in RTA cat si pe subtrat cald intre 100 °C – 300 °C in timpul depunerii.
Formarea de nanocristale/doturi de GeSn in filmele de GeSnSi3N4 s-a realizat prin optimizarea parametrilor necesari: (i) tratament termic RTA in intervalul 325 - 700 °C si (ii) depuneri in-situ pe substrat cald in intervalul 100 - 300 °C.
Morfologia si structura filmelor investigate arata o dependenta puternica de concentratia de Sn din filme. Filmele obtinute pe suport cald (300 °C) prezinta un grad scazut de cristalizare in filmele cu ~4% Sn dar odata cu cresterea continutului de Sn la ~18% creste si densitatea de cristale de GeSn si dimensiunea acestora dar apare si difuzia Sn la suprafata filmului. Acest lucru este pus in evidenta si de investigatiile XRD.
Deasemenea, investigatiile optice pun in evidenta influenta concentratiei de Sn din filme asupra pragului de absorbtie. In filmele unde concentratia de Sn este de aproximativ 18 %vol., pragul de absorbtie are valoarea de 0.36 eV fata de valoare de 1 eV corespunzatoare concentratie de Sn de ~4 %vol..
Caracteristicile I – V arata: (i) fotocurent este mai mare cu 5 ordine de marime fata de curentul de intuneric, dependent de temperatura de masura; (ii) viteza de raspuns este intre 0.9 – 2µs; (iii) jonctiune dependenta de continutul de Sn si procedeul de depunere. Dependenta spectrala a fotocurentului prezinta o banda larga de sensibilitate, in intervalul 360 - 2200 nm (UV-VIS-SWIR).
Rezultatele obtinute din investigatiile optice sunt in stransa concordanta cu cele fotoelectrice si demonstreaza ca aceste filme au proprietati fotoconductive adecvate pentru fabricarea fotodetectorilor. Fabricarea foto-detectorului demonstrator a fost realizat, prin procesare in camera curata, pe baza parametrilor tehnologici optimizati in aceste prime etape. Acesta a fost testat pentru a determina influenta suprafetei active asupra sensibilitatii spectrale.
In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa II/2023 au fost integral realizate.
2022
Lucrare indexata ISI:
“Extended near infrared photo-response influenced by host matrix change in Ge nanoparticle-based films”, I. Stavarache, C. Palade, A. Slav, P. Prepelita, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, IEEE conference, 45th Edition of International Semiconductor Conference (CAS), pp. 231-234, 2022 October 12-14, Sinaia, Romania; IEEE Catalog Number: CFP22CAS-USB;
ISBN: 978-1-6654-5253-3; DOI: 10.1109/CAS56377.2022.9934586
2023
Lucrare indexata ISI:
“Near infrared photo-response of as-deposited films based on GeSn nanoparticles in Si3N4 dielectric”, I. Stavarache, P. Prepelita, O. Cojocaru, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea, IEEE conference, 46th Edition of International Semiconductor Conference (CAS), pp. 259-262, 2023 October 11-13, Sinaia, Romania; IEEE Catalog Number: CFP23CAS-USB;
ISBN: 979-8-3503-2394-8; DOI:
Lucrari ISI trimise spre publicare:
"Enhancing Short-Wave Infrared Photosensitivity of SiGe Nanocrystals-based Films through Embedding Oxide Matrix-Induced Passivation, Strain and Nanocrystallization", Ana-Maria Lepadatu, Ionel Stavarache, Catalin Palade, Adrian Slav, Ioana Dascalescu, Ovidiu Cojocaru, Valentin A. Maraloiu, Valentin S. Teodorescu, Toma Stoica, and Magdalena L. Ciurea, Journal: The Journal of Physical Chemistry, Part: Part C: Energy, Materials, and Catalysis; Manuscript ID: jp-2023-06996g; Rank by Journal Impact Factor: Q2/2022
"Modulating SiGe-SiO2 VIS-SWIR photoresponse by rapid-like furnace annealing versus rapid thermal annealing by interplay between strain and defects", Muhammad Taha Sultan, Ionel Stavarache, Andrei Manolescu, Unnar Bjarni Arnalds, Valentin Serban Teodorescu, Halldor Gudfinnur Svavarsson, Snorri Ingvarsson, and Magdalena Lidia Ciurea, Journal: Advanced Photonics Research; Manuscript ID: adpr.202300316; Rank by Journal Impact Factor: Q2/2022
Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor
Magurele, Ilfov, PO BOX MG-7, 077125
e-mail: stavarache@infim.ro
Romania
PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE
Copyright © 2024 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved