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]:

, (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:

, (2)

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

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

, (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:

, (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

, (5)

где – 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:

, (6)

где – 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

,

где

,

.

Величины – 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

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

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

, (7)

где – 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]:

, (8)

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

.

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

, (9)

и

, (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:

, (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]:

. (12)

Формулу (12) можно переписать в виде:

, (13)

где .

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]:

, (14)

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

,

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

, (15)

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

.

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

(16)

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

. (17)

Отсюда получаем, что:

. (18)

Введем обозначение: na21, приняв во внимание что , получим:

или

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

и

(19)

На основе уравнения (19) можно написать:

или

. (20)

Следовательно , поэтому:

. (21)

Для простоты можно написать:

. (22)

Если p=s=1/2, тогда:

; (23)

здесь

.

Поэтому получаем, что

. (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.