Fotodetectori in VIS-NIR pe baza de nanocristale de germaniu in matrice de nitrura de siliciu (Geminiphotodet)


Project Director: Dr. Stavarache Ionel
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.

____________________________________________________________________________________________________________

 

Etapa II / 2019

REZUMATUL ETAPEI II

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 II / 2019 are ca obiectiv principal fabricarea de probe test si caracterizare complexa.

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 II);
  • Nanostructurarea filmelor in conditii controlate (in-situ ori RTA ori cuptor clasic) in diferite gaze inerte (N2, Ar) (partea II);
  • Procesarea in camera curata pentru realizarea structurii de fotodetector;
  • Depunerea de contacte pentru caracterizari electrice;
  • Analize compozitionale si caracterizarea structurala si mofologica (XPS, EDX, XRD, TEM, HRTEM, SAED) (partea II);
  • Testarea si caracterizarea optica (parametri) ale filmelor (partea II);
  • Testarea si caracterizarea proprietatilor electrice si fotoelectrice ale filmelor (caracteristici I-V, Iph-V, Iph-λ) (partea II);
  • Corelarea caracteristicilor optice, (foto)electrice cu morfologia si structura filmelor;
  • Fabricarea fotodetectorului-demonstrator utilizand parametrii tehnologici optimizati (partea I);
  • Testarea functionala a structurii pentru fotodetector in accord cu TRL3 (partea I);
  • Actualizarea paginii web.

In aceasta etapa au fost realizate probe test formate din Ge:Si3N4 si caracterizarea complexa a acestora. Prepararile s-au bazat pe parametrii optimizati obtinuti in etapa anterioara. De asemenea s-a realizat procesarea in camera curata a celor 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. Nanostructurarea Ge in filmele de Ge:Si3N4 s-a realizat pe de o parte in timpul depunerii pe suport incalzit peste 400 °C si in cazul probelor depuse la temperatura camerei dupa tratamentul termic RTA la temperaturi cuprinse intre 700 °C - 800 °C.

Studiile privind morfologia si structura celor doua tipuri de filme au aratat ca exista o influenta puternica in distributia spatiala a Ge in matricea de Si3N4 prin controlul temperaturii de tratament/depunere cat si prin ajustarea concentratiei de Ge in filme.

Masurarile IV efectuate pe structurile formate din Ge:Si3N4 / Si prezinta fotocurent mai mare cu minimum 2 ordine de marime (masurate la temperatura camerei) raporat la curentul de intuneric si ajungand pana la 5 ordine de marime in functie de temperatura de masura. In plus, masurarile spectrale pe acest tip de structuri evidentiaza o banda larga de sensibilitate intre 520 – 1412 nm (VIS-NIR-SWIR), responsivitate buna ~ 1.34 A/W, detectivitate ridicata 2.54 x 1014 Jones si timp scurt de raspuns. Rezultatele demonstreaza fezabilitatea ca aceste filme sunt adecvate pentru fabricarea fotodetectorilor.

Caracteristici I – V de intuneric si cu lumina pe filme de Ge:Si3N4 (70%:30%) depuse pe substrat incalzit la 500 °C si obtinute la diferite temperaturi de masura: (a) 100K, (b) 200K, (c) temperatura camerei si (d) 350K.

Dependenta spectrala a fotocurentului masurata la diferite temperaturi de masura si obtinuta pe filme de Ge:Si3N4 (70%:30%) depuse pe substrat incalzit la 300 °C: (a) 100K, (b) 200K, (c) 300K si (d) 350K.

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

____________________________________________________________________________________________________________

 

Etapa III / 2020

REZUMATUL ETAPEI III

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 III / 2020 are ca obiectiv principal obtinerea structurii de fotodetector – demonstrator in acord cu  TRL3.

Acest obiectiv a fost realizat in cadrul urmatoarelor activitati din Planul de Realizare:

  • Fabricarea fotodetectorului – demonstrator utilizand parametrii tehnologici optimizati (partea II);
  • Testarea functionala a fotodetectorului – demonstrator in acord cu TRL3 (partea II);
  • Actualizarea finala a paginii web.

In aceasta etapa a fost realizata fabricarea fotodetectorul propus ca demonstarator pe baza parametrilor optimizati in etapa anterioara iar procesarea probelor s-a facut in camera curata prin fotolitografie. Fotodetectori cu diferite dimensiuni 3 mm × 3 mm, 2 mm × 2 mm, 1 mm × 1 mm, 0.5 mm × 0.5 mm, 0.3 mm × 0.3 mm, 0.15 mm × 0.15 mm, 0.1 mm × 0.1 mm au fost obtinuti. Cele mai bune caracteristici de demostrator au fost obtinute pe fotodetectorii cu aria activa de 0.5 mm × 0.5 mm in care stratul fotosensibil are compozitia Ge:Si3N4 (50%:50%) si a fost depus pe substrat incalzit la 500 °C.

A fost efectuata testarea fotodetectorului – demostrator din punct de vedere electric prin masurari IV la temperaturi intre 100 K si 350 K. Acestea au evidentiat ca raportul fotocurent / curent de intuneric creste odata cu scaderea temperaturii de masura de la aproximativ 103 la 350 K la mai mult de 105 in cazul masurarilor efectuate la 100 K.

Testarea functionala a fotodetectorului – demonstrator. Caracteristici I – V de intuneric si cu lumina masurate la temperatura camerei (a) pe filme de Ge:Si3N4 (30%:70%) depuse pe substrat la temperatura camerei si (b) filme de Ge:Si3N4 (50%:50%) depuse pe substrat incalzit la 500 °C.

Curbele de dependenta spectrala, la temperatura camerei, obtinute prin testarea fotodetectorului – demonstrator pun in evidenta sensibilitate in intervalul 460 – 1650 nm la polarizare inversa de -1V. Rezultatele obtinute prin masurarea la diferite temperaturi de masura in intervalul 100 – 350 K arata o extindere a intervalului de sensibilitate intre 460 - 1715 nm (SWIR)  la polarizare inversa de -1V.

spectral cu temperatura

Testarea functionala a fotodetectorului – demonstrator. Dependenta spectrala a fotocurentului obtinuta pe filme de Ge:Si3N4 (50%:50%) depuse pe substrat incalzit la 500 C si masurata la diferite temperaturi (a) 350 K (b) 200 K si (c) 100 K.

Rezultatele obtinute evidentiaza ca aceste filme sunt adecvate pentru fabricarea fotodetectorilor.

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

 

 

2018

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

2019

1) High performance NIR photosensitive films of Ge nanoparticles in Si3N4, Ionel Stavarache, Petronela Prepelita, Ioana Lalau, Ovidiu Cojocaru, Valentin Serban Teodorescu, Magdalena Lidia Ciurea, 42nd Edition of International Semiconductor Conference (CAS), pp. 225-228, 2019 October 9-11, Sinaia, ROMANIA; IEEE Catalog Number: CFP19CAS-USB
ISBN: 978-1-7281-1887-1

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, Scientific Reports  9:10286 (2019),  https://doi.org/10.1038/s41598-019-46711-w

3) SiGe nanocrystals in SiO2 with high photosensitivity from VIS to SWIR, Ionel Stavarache, Constantin Logofatu, Muhammad Taha Sultan, Andrei Manolescu, Halldor Gudfinnur Svavarsson, Valentin Serban Teodorescu and Magdalena Lidia Ciurea, trimis spre publicare Scientific Reports "Ref: Submission ID ca1e98f5-ea69-48e2-8f83-e1e1ebd84147"

4) Efficent light detection by Ge nanoclusters embedded in silicon nitride, I. Stavarache, C. Negrila, S. Eftimie, L. Nedelcu, P. Prepelita, Adrian Maraloiu, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, in curs de editare

2020

1) Cerere de brevet: Fotodetector de banda larga pe baza de nanoparticule de germaniu inglobate in nitrura de siliciu, I. Stavarache, M.L. Ciurea, A/00668 din 26.10.2020

2) SWIR photoresponse of SiGe/TiO2 multilayers with Ge-rich SiGe nanocrystals, A.M. Lepadatu, C. Palade, A. Slav, I. Dascalescu, O. Cojocaru, S. Iftimie, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, 43nd Edition of International Semiconductor Conference (CAS), pp. 235-238, 2020 October 7-9, Sinaia, ROMANIA; IEEE Catalog Number: CFP20CAS-USB, ISBN: 978-1-7281-1072-1

3) SiGe nanocrystals in SiO2 with high photosensitivity from visible to short-wave infrared, Ionel Stavarache, Constantin Logofatu, Muhammad Taha Sultan, Andrei Manolescu, Halldor Gudfinnur Svavarsson, Valentin Serban Teodorescu, Magdalena Lidia Ciurea, Scientific Reports 10:3252 (2020)

4) Effects of Ge-related storage centers formation in Al2O3 enhancing the performance of floating gate memories, Ionel Stavarache, Ovidiu Cojocaru, Valentin Adrian Maraloiu, Valentin Serban Teodorescu, Toma Stoica, Magdalena Lidia Ciurea, trimis spre publicare Ms. Ref. No.:  APSUSC-D-20-10120

5) Influence of SiGe nanocrystallization on short wave infrared sensitivity of SiGe-TiO2 films and multilayers, Ana-Maria Lepadatu, Catalin Palade, Adrian Slav, Ovidiu Cojocaru, Valentin-Adrian Maraloiu, Sorina Iftimie, Florin Comanescu, Adrian Dinescu, Valentin S. Teodorescu, Toma Stoica, Magdalena L. Ciurea, https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c06290

Dr. Ionel Stavarache

Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor

Magurele, Ilfov, PO BOX MG-7, 077125

e-mail: stavarache@infim.ro

Romania


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2020 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved