Hétérostructures covalentes de nitrure de carbone amorphe ultramince et de silicium pour des photodiodes verticales hautes performances

Le nitrure de carbone (Carbon Nitride, CN), en tant que matériau semi-conducteur bidimensionnel de type n, démontre un potentiel considérable dans les applications de conversion d’énergie pilotée par la lumière et les applications environnementales grâce à son excellente activité photocatalytique et sa stabilité. Cependant, malgré ses performances remarquables dans le domaine de la photocatalyse, son application dans les dispositifs optoélectroniques reste limitée, en particulier dans les dispositifs optoélectroniques à base de silicium (Si). La principale raison réside dans le manque de méthodes de synthèse permettant la production à grande échelle de films de CN de haute qualité, uniformes et exploitables. Les méthodes de synthèse existantes, telles que le revêtement par dispersion de nanosheets, la synthèse à l’interface liquide-solide et le recuit à haute température, bien qu’elles permettent dans une certaine mesure la production de films de CN, présentent encore des lacunes en termes d’uniformité à l’échelle des plaquettes, de rugosité de surface et de force de liaison interfaciale avec le silicium. Ces problèmes entraînent la présence de nombreux défauts à l’interface hétérogène entre le CN et le silicium, ce qui entrave le transport des porteurs de charge et limite ainsi l’amélioration des performances des dispositifs.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont proposé une nouvelle méthode de synthèse, utilisant un procédé en deux étapes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et de recuit sous atmosphère d’hydrogène, permettant de produire à grande échelle des films de nitrure de carbone amorphe (Amorphous Carbon Nitride, ACN) ultra-minces et uniformes sur du silicium. Cette méthode améliore non seulement de manière significative l’uniformité et la rugosité de surface des films de CN, mais renforce également la liaison interfaciale entre l’ACN et le silicium grâce à la formation accrue de liaisons covalentes azote-silicium (N-Si). Sur la base de cette structure hétérogène ACN/Si, les chercheurs ont développé des photodiodes verticales hautes performances, démontrant leur potentiel d’application dans les domaines de la détection optique et de l’imagerie.

Source de l’article

Cette recherche a été menée conjointement par des équipes de l’Institut des sciences fondamentales (Institute for Basic Science, IBS) en Corée, de l’Université nationale de Séoul (Seoul National University) et de l’Institut des sciences et technologies de Corée (Korea Institute of Science and Technology, KIST). Les principaux auteurs de l’article incluent Hyojin Seung, Jinsol Bok, Ji Su Kim, entre autres, et les auteurs correspondants sont Changsoon Choi, Taeghwan Hyeon et Dae-Hyeong Kim. L’article a été publié en avril 2025 dans la revue Nature Synthesis, sous le titre Covalent Heterostructures of Ultrathin Amorphous Carbon Nitride and Si for High-Performance Vertical Photodiodes.

Processus et résultats de la recherche

1. Synthèse du nitrure de carbone amorphe ultra-mince

L’équipe de recherche a proposé une méthode de synthèse en deux étapes pour produire du nitrure de carbone amorphe (ACN) ultra-mince sur du silicium.
Première étape : Une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à double zone de chauffage a été utilisée, plaçant un précurseur de mélamine et une plaquette de silicium de type p (p-Si) dans des zones de four respectivement à 300°C et 550°C. Sous atmosphère d’argon (Ar), la mélamine subit un processus de sublimation et de transport, formant une structure bicouche de nitrure de carbone polymère (Polymeric Carbon Nitride, PCN) et d’ACN sous-jacent sur la face inférieure de la plaquette de silicium.
Deuxième étape : Le film synthétisé lors de la première étape est soumis à un recuit sous atmosphère d’hydrogène. Ce processus inclut une montée en température de la température ambiante à 490°C, suivie d’un maintien à cette température pendant un certain temps. Grâce à cette étape, la couche de PCN est sélectivement gravée, aboutissant à un film d’ACN ultra-mince d’une épaisseur de seulement 1,8 nm, avec une augmentation significative des liaisons covalentes N-Si entre l’ACN et le silicium.

2. Caractérisation et analyse des matériaux

L’équipe de recherche a analysé en détail les matériaux synthétisés à l’aide de diverses techniques de caractérisation :
- Microscopie électronique en transmission (TEM) : Confirmation de l’épaisseur ultra-mince (~1,8 nm) et de l’uniformité du film d’ACN.
- Microscopie à force atomique (AFM) : Mesure de la rugosité de surface du film, montrant que le film d’ACN présente une rugosité de surface extrêmement faible (Rq ≈ 0,156 nm).
- Spectroscopie photoélectronique X (XPS) : Analyse des changements de composition du matériau pendant le recuit, confirmant la formation de liaisons covalentes N-Si.
- Spectroscopie de photoluminescence (PL) : Observation de la disparition progressive des pics de photoluminescence du PCN avec l’augmentation du temps de recuit, indiquant un renforcement de la liaison interfaciale entre l’ACN et le silicium, inhibant la recombinaison des paires électron-trou.

3. Fabrication et tests de performance des photodiodes verticales ACN/Si

Sur la base de la structure hétérogène ACN/Si, l’équipe de recherche a fabriqué des photodiodes verticales et testé leurs performances :
- Rapport de redressement : La photodiode ACN/Si affiche un rapport de redressement élevé de 3,8×10⁸ sous une polarisation de 4 V, nettement supérieur à celui des dispositifs témoins (PCN/Si et p-Si).
- Performances de détection optique : Sous polarisation nulle, le dispositif montre une sensibilité élevée à un laser de 638 nm, avec une plage dynamique linéaire (LDR) dépassant 130 dB et un temps de réponse de 6,7 µs.
- Réponse spectrale : Le dispositif présente une bonne réponse spectrale dans la plage de 400 nm à 1000 nm, le rendant adapté à l’imagerie multispectrale.

4. Intégration et démonstration d’imagerie d’un réseau de capteurs d’image à matrice active

L’équipe de recherche a intégré les photodiodes ACN/Si avec des transistors à couches minces (TFT) en oxyde d’indium-gallium-zinc amorphe (a-IGZO) pour construire un réseau de capteurs d’image à matrice active de 8×8. Ce réseau est capable de réaliser une imagerie multispectrale de la lumière visible au proche infrarouge (NIR), démontrant son potentiel d’application dans le domaine de la détection d’image.

Conclusions et signification de la recherche

Cette recherche, grâce à une méthode de synthèse innovante, a permis de produire à grande échelle des films de nitrure de carbone amorphe ultra-minces et uniformes sur du silicium, et de réaliser une forte liaison interfaciale covalente entre l’ACN et le silicium. Sur la base de cette structure hétérogène ACN/Si, les chercheurs ont développé des photodiodes verticales hautes performances, démontrant leur potentiel d’application dans les domaines de la détection optique et de l’imagerie. Cette étude fournit non seulement de nouvelles perspectives pour l’application du nitrure de carbone dans les dispositifs optoélectroniques, mais jette également les bases pour le développement futur de l’électronique flexible et des capteurs d’image courbes.

Points forts de la recherche

1. Méthode de synthèse innovante : Grâce à un procédé en deux étapes de CVD et de recuit sous atmosphère d’hydrogène, la production de films de nitrure de carbone amorphe ultra-minces, uniformes et à grande échelle a été réalisée.
   
2. Liaison interfaciale forte : Le renforcement des liaisons covalentes N-Si a significativement amélioré la force de liaison interfaciale entre l’ACN et le silicium.
   
3. Dispositifs hautes performances : Les photodiodes verticales basées sur la structure hétérogène ACN/Si montrent un rapport de redressement élevé, une sensibilité élevée et un temps de réponse rapide.
   
4. Application en imagerie multispectrale : L’intégration avec des TFT en a-IGZO a permis de construire un réseau de capteurs d’image à matrice active, démontrant son potentiel d’application en imagerie multispectrale.

Autres informations utiles

Cette recherche fournit également des méthodes expérimentales détaillées et des données de support, incluant la caractérisation des matériaux, les tests de performance des dispositifs et les démonstrations d’imagerie, offrant ainsi une référence importante pour les recherches futures. De plus, l’équipe de recherche a exploré les applications potentielles de la structure hétérogène ACN/Si dans l’électronique flexible et les capteurs d’image courbes, ouvrant la voie au développement de technologies futures.