Диссертация (1097807), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Авторы данной работыиспользовали весьма оригинальный способ получения спектральной зависимостикоэффициента поглощения: зависимость α(hν) для nc-Si:H была получена с помощьюИК Фурье-спектрометрии, с исследуемым образцом в качестве внешнего детектора.Спектральные зависимости были получены для набора пленок nc-Si:H, которыевследствие разных условий осаждения отличались друг от друга концентрациейдефектов. Оказалось, что коэффициент поглощения пленки nc-Si:H в области hν<1.2 эВувеличивается с увеличением концентрации содержащихся в ней дефектов.Коэффициент поглощения nc-Si:H зависит от размера нанокристаллов dnc-Si,достигая максимального значения при dnc-Si ≈70 нм [119]. При значениях dnc-Si какбольших, так и меньших 70 нм, коэффициент поглощения уменьшается.
Дляобъяснения полученных результатов авторами [119] была предложена модель, согласнокоторой нанокристаллический кремний состоит из нанокристаллов сферическойформы, границ раздела и аморфной фазы. Коэффициент поглощения α такойтрехфазной системы представляет собой суперпозицию коэффициентов поглощенияаморфной αa, граничной αgb и кристаллической αc фаз, и определяется формулой:α =1N α8 + 1NP α8P + 1 − 18 αR . Здесь Xg и Xgb доли кристаллической фазы и областиграниц раздела соответственно. Коэффициент поглощение граничного региона αgbзначительно больше αa и αc, и увеличивается с уменьшением концентрации водородана границе.
Так как размер нанокристаллов связан с концентрацией водорода в пленке(с уменьшением концентрации водорода dnc-Si растет), то коэффициент αgb растет сростом dnc-Si. Следовательно, увеличивается и общий коэффициент поглощения nc-Si:Hс ростом размера нанокристаллов.
При dnc-Si>70 нм концентрация водородауменьшается практически до нуля, а коэффициент поглощения граничного регионавыходит на насыщение. Поскольку при этом уменьшается Xgb, то коэффициентпоглощения α тоже уменьшается. В пределе при очень больших dnc-Si он, согласно[119], должен стремиться к коэффициенту поглощения c-Si.Измеряемая в эксперименте спектральная зависимость коэффициента поглощенияnc-Si:H может не соответствовать “истинной” спектральной зависимости α, из-за63эффектов рассеяния света, которые обычно присутствуют в неоднородных материалах.Так, согласно данным работ [113,120], спектральная зависимость коэффициентапоглощения nc-Si:H, измеряемая методом постоянного фототока, зависит от расстояниямежду напыленными на образец контактами.
С уменьшением расстояния междуконтактами,коэффициентпоглощенияnc-Si:Hпостепенноприближаетсяк“истинному” значению. Причем, с уменьшением доли кристаллической фазы Xc,влияние эффектов рассеяния уменьшается.Анализ возможных оптических переходов, регистрируемых методом CPM, впленках nc-Si/a-Si:H с малой долей кристаллической фазы (до 50 %) был проведен вработе [121]. Так как в исследованных в работе пленках велика доля аморфной фазы, тобольшие значения коэффициента поглощения (α>104 см-1), полученные в [121] вобласти энергий кванта hν>1.8 эВ, могут быть связаны в основном с межзоннымпоглощением аморфного кремния, а не кристаллического, поскольку у последнего α вэтой области энергий кванта значительно ниже измеренного.
В области 1.4 эВ<hν<1.8эВ коэффициент поглощения может определяться: 1) межзонными переходами в c-Si и2) переходами между хвостом валентной зоны и зоной проводимости аморфногокремния. Причем из сравнения коэффициентов поглощения для a-Si:H и nc-Si/a-Si:H вэтой области энергий кванта можно заключить, что наибольший вклад в поглощениебудут давать переходы 2) типа.
Наконец, при 0.9 эВ<hν<1.4 эВ существует целых тривозможных оптических перехода, дающих вклад в измеряемое методом постоянногофототока поглощение nc-Si/a-Si:H с Xc<50 %.: 1) переходы в кристаллическом кремниииз валентной зоны в зону проводимости с дальнейшим туннелированием носителей ваморфный кремний и прыжковому переносу их по хвосту зоны проводимости; 2)переходы в аморфной фазе с глубоких дефектных уровней в зону проводимости; 3)переходы из хвоста валентной зоны в хвост зоны проводимости аморфного кремния споследующим прыжковым механизмом переноса по состояниям хвоста. По мнениюавторов [121], в зависимости от доли кристаллической фазы может преобладать тот илииной тип поглощения, дающий вклад в фотопроводимость и, соответственно,регистрируемый методом CPM.На рисунке 2.2 показаны результаты измерений спектральных зависимостейкоэффициента поглощения, полученные методом постоянного фототока для пленок ncSi/a-Si:H, осажденных при разных значениях R [122].
Как видно из рисунка для R<1764спектральная зависимость близка к спектральной зависимости, наблюдаемой дляаморфного гидрогенизированного кремния. Причем по мере увеличения R до 17поглощение в дефектной области спектра (для квантов света, меньших 1.2 эВ)уменьшается, что говорит об уменьшении концентрации дефектов типа оборванныхсвязей [123]. В этой же области R наблюдается уменьшение параметра Урбаха, чтосвидетельствует об улучшении порядка структуры с ростом R от 5 до 17.
Для пленок,полученных при R>17, происходит изменение формы спектральной зависимости,которая становится по своей форме близкой к спектральной зависимости nc-Si:H.Представленные на рисунке 2.2 результаты также указывают, что существует областьзначений R, при которых формируется пленка гидрогенизированного кремния сминимальной концентрацией дефектов и «улучшенным» порядком структуры. Причемобласть значений R, при которой осаждаются данные пленки, соответствуютформированию протокристаллического кремния.Как видно из приведенного обзора литературы данные об оптическом поглощенииnc-Si/a-Si:H являются крайне немногочисленными. В частности, не исследованывопросы о влиянии уровня легирования и, соответственно, положения уровня Ферми,на спектральные зависимости коэффициента поглощения пленок nc-Si/a-Si:H. Неанализируетсявлияниедополнительнойподсветки,котораяможетизменятьзаполнение носителями энергетических уровней, на коэффициент поглощения nc-Si/aSi:H с большой доле кристаллической фазы.
Кроме того, не изучались вопросы овлиянии метода получения пленок nc-Si/a-Si:H с различной объемной долейкристаллической фазы на их оптические свойства.65Рис. 2.2. Спектральные зависимости коэффициента поглощения, полученные методом постоянногофототока для пленок гидрированного кремния толщиной 400 нм, осажденных при различных значенияхR [122].2.2.
Измерениеспектральнойзависимостикоэффициентапоглощения методом постоянного фототокаХорошо известно, что в случае тонких пленок, толщиной D∼1 мкм, и малыхзначений показателя поглощения (α≤103 см-1), обычные методы определениякоэффициента поглощения (измерение коэффициентов отражения и пропускания)неприменимы, из-за малых значений величины αD (αD<<1). Поэтому, в нашихисследованиях спектральные зависимости коэффициента поглощения определялись спомощью метода постоянного фототока [124,125].В методе постоянного фототока спектральная зависимость коэффициентапоглощения находится из измерений спектральной зависимости интенсивностипадающего света, обеспечивающей постоянное значение величины фототока (∆Jph).Суть метода CPM состоит в следующем. Стационарное значение фототока в материалес одним видом основных носителей (например электронов) определяется выражением:∆STU =1 − F +1 −−αV ,ηµτWб ,Y(2.1)66где e – заряд электрона, I – интенсивность падающего света, r – коэффициентотражения, α - коэффициент поглощения, D - толщина пленки, η - квантовый выходфотогенерации, µ - микроскопическая подвижность основных носителей заряда, τ –время жизни основных носителей заряда, Uб – приложенное напряжение, l и H –расстояние между контактами и длина контактов соответственно.
В рассматриваемомслучае αD<<1 поэтому, раскладывая экспоненту в ряд и ограничиваясь первыми двумячленами разложения, формулу (2.1) можно переписать в виде∆STU =1 − F αVηµτWб .Y(2.2)В методе постоянного фототока, за счет изменения интенсивности падающегоизлучения I при изменении hν, величина ∆Jph поддерживается постоянной для всехзначений энергий кванта hν. При этом для того, чтобы получить из выражения для ∆Jph,спектральную зависимость α необходимо предположить, что в условиях постоянногофототока все входящие в это выражение величины, кроме коэффициента поглощения αи интенсивности падающего света I являются константами независящими от hν. Длямикроскопическойподвижностиµэтопредположениеоправданотем,чтомикроскопическая подвижность определяется преобладающим механизмом переносаносителей заряда, и если во всем спектральном диапазоне механизм переноса неизменяется, то µ(hν)=const.
Коэффициент отражения r слабопоглощающей тонкойпленки можно представить в виде произведения двух функций, зависящих от энергиикванта. Первая функция слабо зависит от hν и обычно рассматривается как константа.Втораяфункциясодержит периодическуюпоhνкомпоненту,связаннуюсинтерференцией внутри пленки. Эта функция приводит только к интерференционныммаксимумам и минимумам в спектральной зависимости коэффициента поглощения и невлияет на само значение α. Величину η можно считать независящей от hν в связи с тем,что она очень слабо изменяется с энергией кванта по сравнению с α.
Наиболеесложным вопросом является обоснование независимости от hν времени жизниносителей. Однако, при условии постоянства фототока можно считать, что заполнениецентров рекомбинации не изменяется при изменении энергии кванта падающих наобразец фотонов а, следовательно, и τ не зависит от hν.При сделанных предположениях, согласно выражению (2.2) коэффициентпоглощения α определяется соотношением67α ℎν = α JℎνФℎνФL,ℎ]где α(hνф) и I(hνф) – коэффициент поглощения и плотность потока фотонов припроизвольном фиксированном значении энергии кванта hνф. Часто, особенно для aSi:H, в качестве hνф берут значение hνф=1.8 эВ, которое соответствует межзонномупоглощению в a-Si:H.
Таким образом, измеряя I(hν) и I(hνф), с помощью методапостоянного фототока можно определить спектральную зависимость относительногокоэффициента поглощения α(hν)/α(hνф).Для получения абсолютных величин коэффициента поглощения необходимоопределить значение α(hνф). Поскольку величина hνф выбирается таким образом, чтобыосуществлялось межзонное поглощение света, то как правило, α(hνф)D≥1. При этомабсолютноезначениеα(hνф)можноопределитьизизмеренийоптическогопропускания. В нашей работе для этой цели использовался спектрометр Beckman-5270.Блок-схема использованной в работе установки для определения относительногокоэффициента поглощения методом постоянного фототока приведена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
