ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Оптическое поглощение

Из-за разупорядочения структуры и наличия в ней водорода аморф­ный гидрогенизированный кремний существенно отличается по оптиче­ским свойствам [25]-[30], [36] от кристаллического кремния (рис. 3.2).

Собственное, или фундаментальное, поглощение имеет важное значение для аморфных полупроводников, поскольку оно определяет фотоэлектрические свойства ма­териала в видимой области спектра, а зна­чит, эффективность солнечных элементов и чувствительность фотоприемников.

В отличие от кристаллов край погло­щения в аморфных полупроводниках не имеет резкой границы. В случае аморфно­го гидрогенизированного кремния наблю­дается экспоненциальный рост коэффициента а, для которого выполняется эмпирическое соотношение [25]-[30], [36]

а = ао exp

где ао — предэкспоненциальный фактор; hv — энергия фотона; Eq — энер­гия (параметр) Урбаха;

Вблизи края поглощения преобладают оптические переходы с участи­ем экспоненциально распределенных состояний хвостов зон. При этом ве­личина параметра Урбаха Eq близка к значению Eqv, определяющему про­тяженность хвоста валентной зоны, который значительно шире, чем хвост зоны проводимости Eqv > Eqc. Нелегированные пленки a-Si:H, полученные при оптимальных условиях, характеризуются минимальными значениями параметра Урбаха Eq (« 50 мэВ). Для легированных пленок и тройных

сплавов a-SiX:H, где X = C, Ge, N, O и т. д., величина параметра Урбаха может превышать 100-150 мэВ.

Большое различие между a-Si:H и кристаллическим кремнием по оп­тическому поглощению определяет и соответствующую разницу величин оптической ширины запрещенной зоны: 1,7—1,8 эВ для a-Si:H и 1,1 эВ для кристаллического кремния. Значительная величина оптического поглощения a-Si:H для фотонов с энергией hv > 1,7 эВ делает данный материал перспек­тивным для изготовления приборов, работающих в видимом диапазоне, где энергия фотонов принимает значения в диапазоне от 1,7 до 3,0 эВ (соответ­ственно красное и синее излучение). Это означает, что пленки a-Si:H тол­щиной всего в несколько микрометров могут применяться в приборах, об­ладающих высокой фоточувствительностью в видимом диапазоне, так как они поглощают все падающее излучение.

Оптическую ширину запрещенной зоны для a-Si:H можно определить методом Тауца из соотношения

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

Такая зависимость (рис. 3.3) наблюдается у аморфных полупроводников, если края их энергетических зон имеют параболическую форму дисперсии, а матричные элементы для оптических переходов не зависят от энергии. Оптическая ширина за­прещенной зоны у пленок a-Si:H, используемых в приборах, обычно составляет 1,7—1,8 эВ.

Упрощенная методика определения опти­ческой ширины запрещенной зоны основана на допущении, что Eg равна энергии фотонов, соответствующих коэффициенту поглощения a = 3-103 см-1.

Наличие ~ 10 ат.% водорода в a-Si:H уве­личивает оптическую ширину запрещенной зо­ны от 1,5 до 1,7 эВ по сравнению с a-Si. При повышении концентрации во­дорода до 50 ат.% ширина запрещенной зоны a-Si:H может достигать 2,1 эВ. Однако в таком материале трудно управлять пассивацией разорванных свя­зей и сохранять низкую плотность состояний вблизи середины запрещенной зоны. Так, в пленках a-Si:H, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы, низкая плотность состояний обеспечивается только в материа­ле с шириной запрещенной зоны от 1,7 до 1,8 эВ. Поэтому пленки a-Si:H, применяемые в приборах, обычно содержат от 5 до 15 ат. % водорода.

Изменять ширину запрещенной зоны и оптические свойства a-Si:H можно и посредством формирования сплавов: a-Si:Ge:H, a-SiC:H и a-SiN:H. Так, изменяя концентрацию германия от нуля до 100 %, можно снизить ши­рину оптической запрещенной зоны с 1,7 до 1,1 эВ. Введение дополнитель­ного углерода и азота приводит к увеличению ширины запрещенной зоны от 1,7 до 3,0 и 5,0 эВ соответственно.

В аморфных полупроводниках, как и в кристаллических, можно управ­лять оптической шириной запрещенной зоны путем создания сверхрешеток на основе 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 огра­ничения, связанные с переносом носителей перпендикулярно слоям, что объ­ясняется наличием гетеропереходов.

В аморфных полупроводниках уровни типичных доноров и акцепторов (в a-Si:H — бора и фосфора соответственно) находятся достаточно глубоко в запрещенной зоне, и соответствующие оптические переходы, обусловлен­ные примесным поглощением, должны наблюдаться при комнатной темпе­ратуре. Однако вследствие высокой плотности непрерывно распределенных состояний собственных дефектов оптические переходы, обусловленные ио­низацией примеси, невозможно идентифицировать на спектрах поглощения. Вместе с тем введение легирующих добавок в a-Si:H может вызвать увели­чение на несколько порядков концентрации оборванных связей Si в различ­ном зарядовом состоянии. Таким образом, влияние легирования на спектр поглощения заключается в увеличении поглощения для энергий на 0,5­1,2 эВ ниже, чем номинальное значение щели подвижности.

Ряд исследователей связывали наличие «хвоста» Урбаха в аморфных полупроводниках с экситонным поглощением в них, однако однозначных доказательств этого не получено.

Анализ приведенных данных позволяет выявить две особенности про­цесса оптического поглощения:

• наличие «хвоста» с экспоненциальной зависимостью коэффициента поглощения, достигающий значений энергии до 0,05-0,07 эВ. Такой хвост поглощения, очевидно, вызван собственными состояниями, связанными с разупорядочением структуры материала;

• существование оптического поглощения даже при относительно малых значениях энергии фотонов (hv > 1,2 эВ), обусловленное локализованными со­стояниями внутри щели подвижности, которые созданы неспаренными элек­тронами. Эти глубокие состояния играют роль центров рекомбинации, огра­ничивающих время жизни фотогенерированных носителей заряда.

52