基于 p-GeTe/n-Si 异质结的高性能室温红外光伏探测器

摘要

GeTe 是重要窄带隙半导体，广泛用于相变存储及自旋电子器件，但其在室温红外光伏探测器中的应用鲜见报道。本研究利用磁控溅射制备 GeTe 纳米薄膜，经退火结晶，系统表征其物理、电学、光学性质，并制备基于 p-GeTe/n-Si 异质结的红外光伏探测器。器件在 850 nm 光照下室温探测率高达 8×10¹¹ Jones，展现优异红外探测性能。

研究背景

红外探测器在夜视成像、安防、遥感、食品检测、生物医学等领域需求巨大。光伏型红外探测器利用少数载流子效应，响应快，适合成像传感。HgCdTe 探测器技术成熟，但与 Si 晶格失配，难以实现探测与信号处理单片集成，成本高、难小型化。二维材料异质结（范德瓦尔斯相互作用，无需晶格匹配）为集成提供新路径。GeTe 近年受热烈关注：非晶/晶态物性差异大，是下一代存储技术有力候选；可制备稀磁半导体用于自旋电子学。若能将 GeTe 存储/计算特性与光伏探测集成，将推动计算技术革新。基于二维 GeTe/Si 异质结的光伏探测器兼容 Si 工艺及 GeTe 自旋器件工艺，利于低成本小型化集成。本工作制备 p 型 GeTe 纳米薄膜，表征其性能，制备并表征 p-GeTe/n-Si 异质结光伏探测器。

实验方法

器件制备

1. n 型单晶 Si 基底：H₂O:H₂O₂:NH₃·H₂O (3:1:1) 80℃ 清洗 30 min，气流干燥。
2. 磁控溅射沉积 GeTe 薄膜：5 Pa，120 s，本底真空 6.0×10⁻⁴ Pa。
3. 铜箔包裹，真空炉 360℃ 退火 10 min（参考文献相变温度）。
4. 物理气相沉积（PVD，7.0×10⁻⁵ Pa）蒸发 Al 电极（~100 nm，石英振荡器监控），影掩模定义有效面积 1.5 mm²。

图 1 示意溅射、退火工艺及薄膜光学/TEM 图像。

结果与讨论

结构表征：退火诱导结晶化

高分辨 TEM（HRTEM）显示退火后 GeTe 结晶度良好，晶格条纹间距 0.294 nm（202 晶面）、0.209 nm（220 晶面），快速傅里叶变换（FFT）斑点清晰。拉曼光谱：退火前显示 B、C、D 三峰（124.8、161.8、223.5 cm⁻¹），退火后 D 峰减弱、新增 A 峰（108.1 cm⁻¹），B/C/D 红移，表明长程有序度提高、无序度降低。XRD：退火后出现强烈 (202)、(220) 衍射峰（29.9°、43.2°）及弱 (021)、(042) 峰，优先沿 (220)、(202) 取向生长，相变剧烈。XPS：Ge 2p、Ge 3d、Te 3d 峰拟合显示表面存在 Ge-O、Te-O（TeO₂），但 Ge 2p 无氧成分（探测深度大），XRD/TEM 无氧化物相，推测氧化仅限表面极薄层。霍尔效应测得退火后为 p 型导电。

光学性质：带隙随结晶减小

UV-Vis-NIR 吸收光谱：退火后 600 nm 处出现吸收峰，吸收系数显著增大，红外波段随波长增加吸收系数递减。Tauc 绘图（α² vs hν）估算直接带隙：退火前 0.85 eV（非晶），退火后 0.70 eV（结晶），与文献一致（非晶 ~0.85 eV，结晶 0.73-0.95 eV），长程有序化导致带隙缩减。AFM 测厚：退火后 33±1.5 nm，表面粗糙度从 2.1 nm 降至 1.4 nm。

器件光电性能

原型机结构：p-GeTe(33 nm)/n-Si，Al 电极。响应时间：上升/下降对称，τ = 134 ms（(t_R+t_D)/2）。J-V 特性：850 nm 光照（20、53、90 μW/cm²）下，光生电压偏移 0.1 V，确证光伏效应。响应率 R = 6–15 A/W，探测率 D* = 1–8×10¹¹ Jones（室温、未封装、未优化）。对比表 1 所示硫族化物/Si 异质结探测器，GeTe/Si 室温性能优异，归因于 GeTe 大吸收系数及直接带隙。

结论

磁控溅射+退火制备结晶 GeTe 纳米薄膜（360℃，带隙 0.70 eV）。基于 p-GeTe/n-Si 异质结的光伏探测器在 850 nm 室温下展现高响应率（6–15 A/W）、高探测率（1–8×10¹¹ Jones）、响应时间 134 ms。验证了 p-GeTe/n-Si 异质结在红外探测中的应用潜力，兼容 Si 电路及 GeTe 自旋电子工艺，有望实现探测、存储、计算一体化集成。