VIS-NIR photodetectors based on germanium nanocrystals embedded into silicon nitride (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

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, extended to near infrared spectral window, high responsivity, good detectivity and fast response time. To achieve this goal, we propose a new solution for fabricating this device, by using an active layer nanostructured in-situ at low temperature (lower than 500 °C), namely Ge-ncs embedded in Si3N4. In order to achieve the project goal, we propose the following objectives: Objective 1: Deposition by Magnetron Sputtering of the structure Ge-ncs:Si3N4/ Si or quartz substrate, by using different novel approaches; For this, the critical deposition parameters (DC and RF power, work pressure, gas flux or substrate temperature) will be finely tuned to be optimized. Objective 2: Formation of the Ge-ncs into Si3N4 matrix with controlled morphology (Ge-ncs size, uniformity and density); Objective 3: Developing the test samples of top contact/ Ge-ncs:Si3N4/ Si or quartz substrate/ bottom contact with photoconductive properties controlled by morphology, completely characterized;  Objective 4: Obtaining the demonstrator of photodetector device having targeted photodetector parameters as photocurrent to dark current ratio (on/off ratio) of 1-2 orders, extended to NIR spectral window, high responsivity, good detectivity and response time, functionally tested according to TRL 3. The scientific results will be disseminated by 1 patent, 2 articles in ISI-quoted journals, 2 contributions at conferences and web page. The team scientific expertise and facilities chosen to reach the project goal is a strong argument for the success of this project.

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

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

REZUMATUL ETAPEI I

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 a fost variata concentratia de Ge: i) Ge:Si3N4 / Si si cuart depusa pe substrat mentinut la temperatura camerei si ii) Ge:Si3N4 / Si si cuart depusa pe substrat cald. Formarea de nanocristale/nanoclusteri in filmele de Ge:Si3N4 s-a realizat: a) in timpul depunerii pe suport incalzit si b) in cazul probelor depuse la temperatura camerei dupa tratamentul termic RTA.

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, 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 din VIS pana in NIR.

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

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: i) Ge:Si3N4 / Si si cuart depusa pe substrat mentinut la temperatura camerei si ii) Ge:Si3N4 / Si si cuart depusa pe substrat cald. Nanostructurarea Ge in filmele de Ge:Si3N4 s-a realizat pe de o parte in timpul depunerii pe suport incalzit si in cazul probelor depuse la temperatura camerei dupa tratamentul termic RTA.

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 pornind din VIS si pana in 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.

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

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 mm2, 2 mm2, 1 mm2, 0.5 mm2, 0.3 mm2, 0.15 mm2, 0.1 mm2 au fost obtinuti. Cele mai bune caracteristici de demostrator au fost obtinute pe fotodetectorii cu aria activa de 0.5 mm2 in care stratul fotosensibil a fost depus pe substrat incalzit.

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.

Curbele de dependenta spectrala, la temperatura camerei cat si la diferite temperaturi intre 100-350K, obtinute prin testarea fotodetectorului – demonstrator pun in evidenta sensibilitate ridicata din VIS pana in SWIR la polarizare inversa de -1V.

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/ .

 

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) 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

3) 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

4) 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

5) 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)

6) 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

7) Bandgap atomistic calculations on hydrogen‑passivated GeSi nanocrystals, Ovidiu Cojocaru, Ana‑Maria Lepadatu, George Alexandru Nemnes, Toma Stoica, Magdalena Lidia Ciurea, Scientific Reports 11:13582 (2021) , https://doi.org/10.1038/s41598-021-92936-z

8) 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, summited for publication

Patent application: 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

Dr. Ionel Stavarache

 

National Institute of Materials Physics,

405A Atomistilor Street, Magurele, Ilfov, PO BOX MG-7, 077125

e-mail: stavarache@infim.ro

Romania


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

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