Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

OPTICAL PROPERTIES OF THIN FILMS А-SI1–XGEX:H (X=0÷1)

Nadzhafov B.A. 1
1 Institute of Radiation Problems Azerbaijan Nationale Academy of Science
1745 KB
The optical properties also determined the amount of hydrogen contained in the films a-Si:H and a-Ge:H. It was found that the film properties greatly depend on the composition and the level of hydrogenation. The amount of hydrogen atoms in the films was varied by changing the gas mixture composition and ir absorption were measured for the films a-Si:H and a-Ge:H. Also, it determines the width of the forbidden zone E0 for these films.
thin film amorphous silicon
the efficiency of the optical properties of nanocrystalline
determining the amount of hydrogen

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.