《Optical Materials》：Self-powered Ge2Sb2Te5 on n-Si photodiode for UV–Vis detection fabricated by Pulsed Laser Deposition
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自供电光电二极管基于结晶态GST/Si异质结，采用脉冲激光沉积法制备，暗态理想因子4.51，光照735nm时响应度1.78mA/W、检测度5.34×10^9 Jones，响应时间毫秒级，首次系统计算结宽、NEP、EQE等参数。
Bhavna Thakur | Anirban Mitra | Rajesh Kumar
印度技术学院鲁尔基分校物理系，鲁尔基，247667，北阿坎德邦，印度
摘要
这种自供电光电二极管在零偏压下工作，由于其无需外部电源即可自主运行，因此具有很高的吸引力，这使得它具有可持续性，并且非常适合环保应用。本研究的主要目的是探讨由p型晶体（cGST）和n型硅（n-Si）组成的自供电异质结器件。cGST薄膜是通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备的。在恒定光照功率下，测量了该异质结在黑暗环境以及使用不同波长（365、455和735纳米）的LED光源下的I-V特性。在黑暗条件下，理想因子（）为4.51。在自供电模式下，该光电二极管在735纳米光照射下的最大响应度（R）为1.78 mA/W，检测灵敏度（）为5.34 × 10^9 Jones。在施加-3伏反向偏压且光源波长为735纳米的情况下，光电二极管的响应度为29.15 mA/W。该器件的响应时间在毫秒级别。本文首次报告了cGST/n-Si自供电异质结器件的关键参数计算结果，如结宽（W）、响应时间、噪声等效功率（NEP）和外部量子效率（EQE）。
引言
光电二极管在快速发展的光电子领域变得越来越重要，成为各种应用中的关键组成部分。基于硅的光电探测器被广泛用于各种应用，并且与标准CMOS制造技术兼容，从而实现了成本效益高的大规模生产。基于硅的光电二极管通常用于传统应用，如光学传感器和光通信。GST和Si的混合平台已被用于先进和多功能应用，例如开关[1]、忆阻器[2]、光衰减器和调制器[3]。光电二极管或光电探测器也是完全功能性的光电子电路的重要组成部分。然而，关于这些组件的研究相对较少。因此，需要进一步的研究来开发完全功能的GST-Si基电路。由于其众多优点，如与CMOS制造技术的兼容性[4]、宽光谱响应、非易失性[5]、高热稳定性[6]和高可扩展性[7]，GST在光子学界引起了广泛关注。使用cGST作为光电二极管的动机在于其较低的带隙（0.5 eV）和比非晶相更优越的电导率。
尽管关于GST/Si异质结光电二极管的报道较少，但仍需要大量研究来充分发挥其潜力并提高其在宽操作范围内的光电检测性能。Tang等人[8]通过射频溅射方法将厚度为235纳米的p型非晶GST与低掺杂n型Si晶片集成，制备了一种异质结光电二极管。他们的研究重点在于这种光电二极管的电学特性及其在相变随机存取存储器（PCRAM）器件交叉点结构阵列中的潜在应用。Liu等人[9]领导的团队使用电子束蒸发（EBE）沉积方法制备了非晶和晶态GST/Si异质结结构，并证明了GST/n-Si和cGST/n-Si异质结都表现出p-n结电压-电流特性。Alkhamisi等人[10]使用热蒸发技术制备了用于光热检测的非晶GST薄膜，并报告了实验结果，在-3伏反向偏压下获得了203.1 mA/W的响应度。
自供电光电二极管是一种能够在无需任何外部偏压的情况下对入射光产生电信号的设备[11]。这与其他传统光电二极管不同，后者通常需要外部电压。自供电光电二极管在光学传感器、成像系统、遥感和无线传感器网络[12]、[13]中特别有价值。据作者所知，之前尚未报道过自供电cGST/Si异质结光电二极管的研究。此外，本文首次使用PLD方法制备了cGST/n-Si异质结光电二极管。众所周知，PLD具有高沉积速率、更好的化学计量控制[14]、[15]，并且是沉积复杂成分（即多元素材料）的首选方法[16]。PLD相比其他技术具有多种优势，如操作简便、能够进行反应性沉积、成分质量一致以及在较低基板温度下生产高质量薄膜的能力[17]、[18]、[19]。PLD最重要的特点是在高压下仍能保持多元素材料的成分[20]。通过在薄膜沉积过程中精确控制温度和压力，PLD被证明适合与CMOS技术集成[21]。本研究探讨了在室温下保持的GST薄膜的晶相特性，以及由GST与n型硅基底相互作用产生的自供电光电二极管的电学特性。以下是研究的主要亮点：(a) 首次系统地展示了晶态GST/n-Si异质结光电二极管的自供电操作；(b) 首次计算并报告了cGST/n-Si器件的关键参数，如结宽、响应时间、噪声等效功率（NEP）和外部量子效率（EQE）；(c) 首次使用PLD技术制备了cGST/n-Si异质结光电二极管，这是一种潜在的CMOS兼容方法；(d) 利用了GST的FCC态用于光电二极管应用；(e) 主要关注在恒定光功率刺激下，自供电模式下光电二极管在UV-Vis波长范围内的操作特性。
本文的结构框架如下：第2节阐述了实验方法和程序实施；第3节讨论了结果；第4节总结了本研究的主要发现。
实验部分
实验部分
图1展示了cGST/n-Si异质结光电二极管的制备过程。在n型Si（电阻率范围为1–5 Ω·cm）基底上沉积p型GST薄膜是通过PLD方法在室温下实现的。n型Si的清洗过程包括依次浸入丙酮、乙醇和双蒸水中，并在超声波浴中进行处理。
结果与讨论
图2(a)和(b)展示了制备的异质结光电二极管的光学显微图像。制备的光电二极管器件面积为1.5 cm2。从p型cGST/n-Si结的I-V曲线中提取了二极管的电学特性。图3(a)分别展示了在黑暗条件下以及使用365、455和735纳米波长光照下的I-V特性。每个LED的光功率均为20 mW/cm2。
结论
总之，我们的研究成功制备了一种在室温下工作的p型cGST/n-Si异质结自供电光电二极管。由于PLD技术能够保持化合物材料的化学计量比，因此采用了脉冲激光沉积技术来沉积GST薄膜。I-V特性表明饱和电流较低，理想因子表明二极管特性良好。
CRediT作者贡献声明
Bhavna Thakur：撰写原始草稿、验证、方法论、研究、数据分析、数据整理。Anirban Mitra：撰写、审阅与编辑、资源协调。Rajesh Kumar：撰写、审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、项目规划、方法论研究、资金筹集、概念构思。
资助
本研究得到了科学技术部科学技术司（DST/QTC/NQM/QMD/2024/4）和印度教育部（GATE奖学金）以及印度科学与工程研究委员会（CRG/2023/001094）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
Bhavna Thakur于2019年从纳格浦尔维斯韦斯瓦拉亚国立理工学院获得物理学硕士学位。她目前正在印度技术学院鲁尔基分校物理系攻读博士学位。她是OPTICA（前身为OSA）的学生会员，并曾担任IIT鲁尔基分校OPTICA学生分会副主席。她的研究兴趣包括用于光子器件的GST异质结和界面。
