Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК А-SI1–XGEX:H (X=0÷1)

Наджафов Б.А. 1
1 Институт радиационных проблем Национальной академии наук Азербайджана
Рассмотрены оптические свойства, также определено количество водорода содержащегося в пленках а-Si:H и а-Ge:H. Найдено, что свойства пленки сильно зависят от состава и уровня гидрогенизации. Количество атомов водорода в пленках варьировали путем изменения составов газовой смеси и измеряли ИК поглощение для пленок а-Si:H и а-Ge:H. Также определены ширина запрещенной зоны Е0 для указанных пленок.
тонкие пленки
аморфный кремний
эффективность
оптические свойства
нанокристаллические
определение количество водорода
1. Афанасьев В.П., Гудовских А.С., Неведомский В.Н., и др. Влияние термообработки на структуре и свойства пленок а-Si:H, полученных методом циклического осаждения // ФТП. – 2002. – Т.36. – С.238–243.
2. Голикова О.А., Казанин М.М., Кудоярова В.Х. Эффект Стаэблера-Вронского в зависимости от положения уровня Ферми и структуры нелегированного аморфного гидрированного кремния // ФТП. – 1998. – Т.32. – С.484–489.
3. Мездрагина М.М., Абрамов А.В., Масина Г.М. и др. Влияние отжига в атмосфере атомарного водорода на свойства пленок аморфного гидрированного кремния и параметры p-i-n структур на их основе // ФТП. – 1998. – Т.32. №5. – С.620–637.
4. Голикова О.А., Бабаходжаев У.С. Кристаллизация пленок аморфного гидрированного кремния, осажденных при различных условиях // ФТП. – 2002. – Т.36. – С.1259–1262.
5. Голикова О.А., Кузнецов А.Н., Кудоярова В.Х., Казанин М.М. Особенности структуры пленок аморфного гидрированного кремния, осажденных методом разложения силана на постоянном токе в магнитном поле // ФТП. – 1997. – т.31. – С.816–819.
6. Физика гидрогенизированного аморфного кремния / Под ред. Джоуна Пулоса Дж, Льюковски Дж. – М.: Мир, 1988. – С. 447.
7. Наджафов Б.А. Аморфные и микрокристаллические полупроводники // Сб. тр. Международной конф. – СПб: Изд-во политехн. ун-та, 2006.
8. Colder H., Rizk R., Morales M, Marik P., Vicens J., VicKridge J. Влияние температуры подложки на рост нанокристаллического карбида кремния при реактивном магнетронном распылении // J.Appl. Phys. 2005. v. 98. №2. с. 44–49.
9. King R.R., Zaw D.C., Edmontson K.M., Fetzer C.M., Kinzey G.S., Yoon H., Sherif R.A., Kazam N.H. Метаморфные многопереходные солнечные элементы GaInP/GaInAs/Ge с эффективностью 40 % // Appl. Phys. Lett. 2007.v.90. №18. p.231–239.
10. Аморфные полупроводники и приборы на их основе / Под ред. Й. Хамакавы. – М.: Металургия, 1986. – С. 374.
11. Наджафов Б.А., Исаков Г.И., Фигаров В.Р. Оптические свойства гидрогенизированных аморфных пленок твердого раствора а-Si0,85Ge0,15:H // Прикладная физика. – 2004. – №4. – С.107–114.
12. Наджафов Б.А. Получения пленок аморфного гидрогенизированного карбида-кремния а-Si1-хGeх:H (х=0÷1) для фотоэлектрических преобразователей // JSJAEE Solar Energy. – 2007. – №11. – С. 177–179.
13. Наджафов Б.А., Исаков Г.И. Получение и легирование аморфных пленок на основе Si и Ge // ISIAEE Solar Energy. – 2005. – №4(24). – р.79–82.
14. Tayes J., Grigorovici Retal. Optical properties and electronic structure of amorphous germanium // J.Non-Cryst.Sol. 1966. v.15. №1. р.627–630.
15. Brodsky M.N., Cardona M., Cuomo J.J. Infrared and Raman Spectra of the Silicon Hydrogen Bonds in Amorphous Silicon Propared by Glow discharge and sputtering // phys. Rev. B. 1977. v.16. №8. p. 3556–3581.
16. Наджафов Б.А., Исаков Г.И. Оптические свойства аморфных пленок твердого раствора а-Si1-хGeх:H с различной концентрацией водорода // ЖПС. – 2005. – Т.72. №3. – С.371–376.
17. Tsu R., Howard W.E., Esaki Z. Optical and electrical properties and band structure of GeTe and SnTe. Phys. Rev. 15 August 1968, v. 172, №3, p. 779–788.
18. Connel G.A., Lewis A. Comment on the evidence for sharp and gradual optical absorption edges in amorphous germanium // J. Phys. Stat. Sol. (b) 60, 291, (1973).
19. Archer R.J. Optical constant of germanium 3600Å to 7000Å // J. Physical Review. April-15 1958, Volume 110, №2, p. 354–358.
20. Tauc J. // The optical properties of solid (ed F. Abeles), 1970, p. 277, North-Holland, Amsterdam.
21. Amorphous semiconductors. Edited by M.H. Brodsky Springer – Verlag Berlin Heidelberg New-York, 1979, p. 419.

Пленки Si и их сплавы характеризуются различными структурными фазами. Наиболее интересными из них являются кристаллические зерна, находящиеся в аморфной матрице. Такие сплавы изготавливаются различными методами и при различных технологических режимах. для пленок аморфного гидрированного кремния а-Si:H, сформированных методом циклического осаждения с отжигом в водородной плазме, эффект Стаэблера-Вронского выражен слабо [1]. Авторы [2] также отмечают фактическое отсутствие эффекта Стаэблера-Вронского в наноструктурных пленках а-Si:H. Кристаллизация пленок кремния а-Si:H осуществляется различными методами: длительным отжигом в вакууме при 600°С, быстрой термической обработкой [3], лазерным отжигом [4] и ионной имплантацией [5]. Подвижность носителей заряда и эффективность легирования в таких пленках выше, чем в а-Si:H, а коэффициент оптического поглощения выше, чем в кристаллическом кремнии. Пленки а-Si1–xGex:H, а-Si1–xСx:H являются эффективным и дешевым материалом при изготовлении солнечных элементов и других электронных приборов [6, 7]. В связи с этим получение названных пленок и изменение их типа проводимости являются актуальными задачами. В работе [8] показано, что с изменением температуры подложки рост нанокристаллов увеличивается. Обнаружено, что с увеличением концентрации РН3 уменьшается средний размер зерен (d) и доля кристаллических частиц объема (Vc). При легировании бором, с увеличением концентрации B2H6, значение (d) не меняется, а Vc уменьшается. Пассивируюшие свойства водорода в а-Ge:H хуже, чем в а-Si:H, поэтому в целом фотоэффективность пленок а-Si1–xGex:H, несколько ниже, чем в а-Si:H [10, 11].

Атомы водорода играют огромную и важную роль в структуре пленки. Цель данной работы – является определение количества водорода в пленке и измерение ее оптические свойства а-Si1–xGex:H (x=0÷1).

Экспериментальная часть

Тонкие пленки а-Si1–xGex:H (x=0÷1) получены методом плазмохимического осаждения с использованием газовых смесей H2+SiH4, He+GeH4 в различных пропорциях. Подробно о получение пленок показано в работе [12, 13]. Плазму создавали ВЧ полем за счет преимущественно индуктивной связи. Толщина пленок составляла 0,1÷1,0 мкм. Измерялись коэффициент поглощения (α), преломление (n), отражения (R), пропускания (T), ширина запрещенной зоны (E0) для каждого образца, с использованием модели Тауца [14]. Оптическое поглощение исследовали при комнатной температуре по методике [15, 16] на спектрометре ИКС-21.

Определение количества водорода

Концентрация водорода в пленках а-Si1–xGex:H, (x=0÷1) определяется с помощью метода Бродского и др. [15, 16]:

nad001.wmf, (1),

где N – число Авогадро и (Г/ξ) интегральная сила гидрида с единицей измерения см2/моль, (Г/ξ)=3,5. Если ширину поглощения обозначить через Δω и центр частоты ω0, то при Δω/ω0≤0,1, после аппроксимации с погрешностью ±2 %, уравнение (1) можно записать в следующем виде:

nad002.wmf, (2)

где nad003.wmf; ε – диэлектрическая постоянная. для Si ε=12; Ge ε =16.

Если в уравнении (2) прединтегральное выражение обозначим через АS и nad004.wmf – интегральное поглощение моды растяжения для каждой пленки, тогда при определении концентрации водорода (NH) получаем общее выражение в сокращенном виде:

nad005.wmf, (3)

Коэффициент АS – для пленок a-Si:H, составляет в области моды растяжения 1,4•1020 см-2. Коэффициент поглощения (α) для указанных частот (2100 см-1) составляет 8•10–1÷3•102 см-1 при этом NH=7•1021÷2,1•1022 см-3. Для пленок а-Ge:H АS =1,7•1020 см-2. Ясно, что уравнение (3), так же характеризует колебательную моду растяжения связи в пленках а-Si:H, а-Ge:H и а-Si1–xGex:H. Оценки относительного связывания водорода для гидрированного аморфного а-Si1–xGex:H:

nad006.wmf, (4)

где NSi-H и NGe-H – концентрация водорода в а-Si:H и а-Ge:H (в см3). Уравнение (3) можно переписать для моды качания (wagging mode) пленок а-Si:H и а-Ge:H. Таким образом значение NSi-H и NGe-H определяются из уравнения (3) для моды качания в следующим виде

nad007.wmf, (5)

где nad008.wmf – интегральное поглощение моды качания для пленок а-Si:H и а-Ge:H. для указанных пленок Aw=1,6•1019 см-2 и Aw=1,1•1019 см-3, соответственно. Зная NGe-H (где, для пленок а-Ge:H, Aw=1,6•1019 см-2 и α=5•101 см-1), рассчитаем концентрацию водорода NH в пленке а-Si1–xGex:H по выражению:

nad009.wmf, (6)

где nad010.wmf – число связей, определенное по модам качания в чистом а-Ge:H, значение которого, рассчитано по уравнению (5). Второй сомножитель в выражении для NH (интегральное соотношение максимумов ИК поглощения) является колебательной модой растяжения в образце и в чистом а-Ge:H. Для вычисления интегрального соотношения использовали максимум, отвечающий колебательной моде растяжения Ge-H (2000 см-1) в пленке а-Si1–xGex:H.

Из приведенных данных можно оценить силу осциллятора в пленке а-Si1–xGex:H по соотношению

nad011.wmf,

где

nad012.wmf,

nad013.wmf.

Величины nad014.wmf – являются интегральными поглощениями моды растяжения и моды качания, соответственно. Силы осциллятора Г= 0,51 (для х=0) и Г=0,13 (для х=1). Максимальное значение Р=4,16 для х=0,40. Таблица показывает характеристические параметры аморфных пленок На рис. 1 показано распределение водорода по толщине пленки d: определенные 1 – методом протонов отдачи, 2 – методом ИК спектра поглощения. Видно, что распределение водорода достаточно равномерное. Отметим, что величины NH, определенные методом отдачи протонов (МОП) и ИК спектроскопии совпадают с точностью 2–3 ат. %.

Характеристические параметры аморфных пленок a-Si0,60 Ge0,40:H

№ пленки

PH2 мTорр

E0

эВ

P

H

at %

NSi:H

cм-3

NGe:H

cм-3

NH

cм-3

IS(Si)

IS(Ge)

IW(Ge), IW(Si)

IS/IW

1

0,6

1,32

1,85

1,3

6,2•1021

2,2•1021

3,1•1020

7,2•101

6,3•101

6,0•102

0,13

2

1,2

1,36

2,29

5,1

9,4•1021

2,7•1021

4,0•1021

8,6•101

7,5•101

5,2•102

0,18

3

1,8

1,41

2,59

8,7

1,3•1022

3,3•1021

5,1•1021

9,4•101

8,3•101

4,0•102

0,26

4

2,4

1,44

3,38

14,7

2,1•1022

4,1•1021

6,2•1021

1,0•102

9,0•101

3,0•102

0,38

5

3,0

1,52

4,16

23,7

2,9•1022

4,6•1021

9,7•1021

1,1•102

1,0•102

2,7•102

0,51

nadz1.tiff

Рис. 1. Распределение водорода по толщине пленки d определенное: 1 – методом протонов отдачи; 2 – методом ИК-спектра поглощения

nadz2.tiff

Рис. 2. Корреляционные зависимости концентраций водорода, определенные методом эффузии для пленок a-Si0,60Ge0,40:H:  – пленки, полученные при давлении водорода PH2= 0,6 мТорр;  – пленки, полученные при давлении водорода PH2=1,2 мТорр;  – пленки, полученные при давлении водорода PH2=1,8 мТорр;  – пленки, полученные при давлении водорода PH2=2,4 мТорр;  – пленки, полученные при давлении водорода PH2=3,0 мТорр

Концентрация водорода (NH), определенная методом эффузии, коррелируется с концентрацией водорода, вычисленной с использованием интегрированной силы IW, при частоте моды качания 600 см-1 (рис. 2).

Определение ширины запрещенной зоны

Большинство полупроводниковых материалов по электрическим свойствам, ближе к металлам, чем к диэлектрикам. Поэтому плотность тока металлов характеризуется в виде j=σE.

Используя [17] с квантомеханической точки зрения, движение электронов в атоме можно представить следующим соотношением

na1.wmf, (7)

где na2.wmf – энергия перехода i–f. Учитывая вероятность перехода Wif, так же как и между атомными уровнями (7), вычисляется с помощью гамильтониана взаимодействия электромагнитной волны и электрона [17]:

na3.wmf, (8)

Приняв, что na4.wmf, na5.wmf – матричный элемент, для аморфных и кристаллических полупроводниковых материалов, соответственно, для которых выполняется условие

na6.wmf.

Наконец, учитывая плотности состояний в зоне проводимости Ес и используя литературные данные [18] для удельной электропроводности находим следующее выражение:

na7.wmf, (9)

и

na8.wmf, (10)

здесь, соответственно, вместо mn можно написать mp. Коэффициент поглощения α(ω), с электропроводностью σ(ω) и с действительным показателем преломления n(ω), связан соотношением:

na9.wmf, (11)

здесь показатель преломления n(ω), слабо изменяется с частотой по сравнению с k0(?), поэтому можно принять, что α(ω) ~ σ(ω).

Используя уравнения (8) и (10), получим спектральную зависимость коэффициента поглощения α(ω) для прямых разрешенных переходов между простейшими зонами [19]:

na10.wmf. (12)

Формулу (12) можно переписать в виде:

na11.wmf, (13)

где na12.wmf.

Здесь m* – приведенная масса носителей заряда в зоне проводимости и валентной зоне, соответственно.

Рассмотрим вид края оптического поглощения, для аморфных полупроводников. выражение для проводимости σ(ω), для аморфных пленок имеет вид [20]:

na13.wmf, (14)

где Ω – объем образца и D – матричный элемент оператора производной na14.wmf. для соответствующего соотношения, получаем, что матричный элемент D для переходов между состояниями разных зон и для переходов между нелокализованными состояниями, имеет следующий вид:

na15.wmf,

а – среднее значение межатомного расстояния. Величина D для локализованных волновых функций, компенсируется величиной нормировочного множителя [20]. Поэтому для межзонных переходов имеем:

na16.wmf, (15)

где интеграл показывает энергию между валентной зоной и зоной проводимости. В уравнении (15)

na17.wmf.

Пусть плотность состояний вблизи зоны проводимости и вблизи валентной зоны, представляется в виде

na18.wmf (16)

На основании выше указанных соотношений, уравнение (15) можно написать в следующем виде:

na19.wmf. (17)

Отсюда получаем, что:

na20.wmf. (18)

Введем обозначение: na21, приняв во внимание что na22.wmf, получим:

na23.wmf

или

na24.wmf

Если подставить полученные значения в уравнение (15), то получим следующее соотношение:

na25.wmf

и

na26.wmf (19)

На основе уравнения (19) можно написать:

na27.wmf

или

na28.wmf. (20)

Следовательно na29.wmf, поэтому:

na30.wmf. (21)

Для простоты можно написать:

na31.wmf. (22)

Если p=s=1/2, тогда:

na32.wmf; (23)

здесь

na33.wmf.

Поэтому получаем, что

na34.wmf. (24)

Полученные результаты совпадают с литературными данными [21].

Значит, для аморфных, нанокристаллических пленок, ширину запрещенной зоны можно определить с помощью уравнения (24). Отметим, что параметр Е0, в большинстве пленок, характеризует ширину запрещенной зоны.

Заключение

Методом плазмохимического осаждения с использованием газовых смесей H2 + SiH4; H2+GeH4 в различных пропорциях получены тонкие пленки а-Si1–xGex:H (х=0÷1). Показано, что коэффициент поглощения для видимого света и ширина запрещенной зоны увеличивается с увеличением содержания кремния.

Определена сила осциллятора данных плёнок, об этом представлена формула в тексте.

Результаты, полученные в данной работе, дают возможность определить коэффициент поглощения (α), ширину запрещенной зоны (Е0), коэффициент пропускания света (Т), коэффициент отражения (R), коэффициент преломления (n) для пленок сплавов а-Si1-хGex:H. Полученные результаты можно использовать для всех видов тонких пленок и в основном для нанокристаллов.

Данные параметры можно также определить с помощью спектрометров ИКС-21, ИКС-14A, ИКС-22, ИКС-29, Фурье-ИК, Varian 640 JR, в области энергий 0,03 ÷ 3,0 эВ и более.


Библиографическая ссылка

Наджафов Б.А. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК А-SI1–XGEX:H (X=0÷1) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 1-1. – С. 20-26;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=11086 (дата обращения: 28.02.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074