оптичне поглинання

Через разупорядочения структури і наявності в ній водню аморфний-ний гідрогенізований кремній істотно відрізняється по оптич-ським властивостями [25] - [30], [36] від кристалічного кремнію (рис. 3.2).

Власне, чи фундаментальне, поглинання має важливе значення для аморфних напівпровідників, оскільки воно визначає фотоелектричні властивості ма-териала у видимій області спектра, а зна-чит, ефективність сонячних елементів і чутливість фотоприймачів.

На відміну від кристалів край поглинутої-щення в аморфних напівпровідниках не має чіткої межі. У разі аморфно-го гидрогенизированного кремнію наблю-дається експоненціальне зростання коефіцієнта а, для якого виконується емпіричне співвідношення [25] - [30], [36]

де ат - предекспоненціальний фактор; hv - енергія фотона; Eq - енер-гія (параметр) Урбаха;

Поблизу краю поглинання переважають оптичні переходи з долі третьому експоненціально розподілених станів хвостів зон. При цьому ве-личина параметра Урбаха Eq близька до значення Eqv, який визначає про-тяжінь хвоста валентної зони, який значно ширше, ніж хвіст зони провідності Eqv> Eqc. Нелеговані плівки a-Si: H, отримані при оптимальних умовах, характеризуються мінімальними значеннями параметра Урбаха Eq ( «50 МеВ). Для легованих плівок та потрійних

сплавів a-SiX: H, де X = C, Ge, N, O і т. д. величина параметра Урбаха може перевищувати 100-150 МеВ.

Велика відмінність між a-Si: H і кристалічним кремнієм по оп-тичного поглинання визначає і відповідну різницю величин оптичної ширини забороненої зони: 1,7-1,8 еВ для a-Si: H і 1,1 еВ для кристалічного кремнію. Значна величина оптичного поглинання a-Si: H для фотонів з енергією hv> 1,7 еВ робить даний матеріал перспек-нормативним для виготовлення приладів, що працюють у видимому діапазоні, де енергія фотонів приймає значення в діапазоні від 1,7 до 3,0 еВ (відпо-відно червоне і синє випромінювання). Це означає, що плівки a-Si: H тол-щіной всього в кілька мікрометрів можуть застосовуватися в приладах, про-Лада високою фоточутливістю у видимому діапазоні, так як вони поглинають все падаюче випромінювання.

Оптичну ширину забороненої зони для a-Si: H можна визначити методом Тауца зі співвідношення

(Ahv) 1/2 = const (hv - Eg).

Така залежність (рис. 3.3) спостерігається у аморфних напівпровідників, якщо краю їх енергетичних зон мають параболічну форму дисперсії, а матричні елементи для оптичних переходів не залежить від енергії. Оптична ширина за-заборон зони у плівок a-Si: H, використовуваних в приладах, зазвичай становить 1,7-1,8 еВ.

Спрощена методика визначення опти-чеський ширини забороненої зони заснована на припущенні, що Eg дорівнює енергії фотонів, відповідних коефіцієнту поглинання a = 3-103 см-1.

10 ат.% Водню в a-Si: H збіль-лічівает оптичну ширину забороненої зо-ни від 1,5 до 1,7 еВ в порівнянні з a-Si. При підвищенні концентрації по-огрядний до 50 ат.% Ширина забороненої зони a-Si: H може досягати 2,1 еВ. Однак в такому матеріалі важко керувати пасивацією розірваних свя-зей і зберігати низьку щільність станів поблизу середини забороненої зони. Так, в плівках a-Si: H, вирощених методом хімічного осадження з газової фази, низька щільність станів забезпечується тільки в ма-ле з шириною забороненої зони від 1,7 до 1,8 еВ. Тому плівки a-Si: H, що застосовуються в приладах, зазвичай містять від 5 до 15 ат. % Водню.

Змінювати ширину забороненої зони і оптичні властивості a-Si: H можна і за допомогою формування сплавів: a-Si: Ge: H, a-SiC: H і a-SiN: H. Так, змінюючи концентрацію германію від нуля до 100%, можна знизити ши-рину оптичної забороненої зони з 1,7 до 1,1 еВ. Введення додаткових-ного вуглецю і азоту призводить до збільшення ширини забороненої зони від 1,7 до 3,0 і 5,0 еВ відповідно.

В аморфних напівпровідниках, як і в кристалічних, можна управ-лять оптичної шириною забороненої зони шляхом створення сверхрешеток на основі a-Si: H / a-Ge: H, a-Si: H /<2-SiC:H, a-Si:H/a-SiN:H многослойных структур. Однако для этих и других аморфных сверхрешеток имеются некоторые огра-ничения, связанные с переносом носителей перпендикулярно слоям, что объ-ясняется наличием гетеропереходов.

В аморфних напівпровідниках рівні типових донорів і акцепторів (в a-Si: H - бору і фосфору відповідно) знаходяться досить глибоко в забороненій зоні, і відповідні оптичні переходи, обумовлений-ні домішковим поглинанням, повинні спостерігатися при кімнатній темпе-ратурі. Однак внаслідок високої щільності безперервно розподілених станів власних дефектів оптичні переходи, обумовлені в.о.-нізації домішки, неможливо ідентифікувати на спектрах поглинання. Разом з тим введення легуючих добавок в a-Si: H може викликати увели-чення на кілька порядків концентрації обірваних зв'язків Si в различ-ном зарядовим стані. Таким чином, вплив легування на спектр поглинання полягає в збільшенні поглинання для енергій на 0,5-1,2 еВ нижче, ніж номінальне значення щілини рухливості.

Ряд дослідників пов'язували наявність «хвоста» Урбаха в аморфних напівпровідниках з екситонами поглинанням в них, проте однозначних доказів цього ніхто не почув.

Аналіз наведених даних дозволяє виявити дві особливості про-процесу оптичного поглинання:

• наявність «хвоста» з експоненційної залежністю коефіцієнта поглинання, що досягає значень енергії до 0,05-0,07 еВ. Такий хвіст поглинання, очевидно, викликаний власними станами, пов'язаними з розупорядкуванням структури матеріалу;

• існування оптичного поглинання навіть при відносно малих значеннях енергії фотонів (hv> 1,2 еВ), обумовлене локалізованими со-стояннями всередині щілини рухливості, які створені неспареними елек-тронами. Ці глибокі стани відіграють роль центрів рекомбінації, огра-нічівающіх час життя фотогенерованих носіїв заряду.