硅膜厚度對Si/β-FeSi2/Si在寬光譜范圍的傳輸特性影響

熊錫成,謝 泉,姜 淳,黃全振,武興會(huì)

(1. 河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191; 2. 貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025;3. 上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

0 引言

正交晶體β-FeSi2是新型的環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料,可以用于制備太陽能電池和發(fā)光二極管等光電器件上[1]。Fe元素和Si元素在地球上儲(chǔ)量豐富[2]。室溫下,β-FeSi2的直接帶隙是0.87 eV,光子能量是1.2 eV時(shí),其吸收系數(shù)很高,超過1×105cm-1[1-2]。因此,β-FeSi2作為半導(dǎo)體光電器件的活性吸收層,性能優(yōu)良。并且,β-FeSi2沒有毒性,在900 ℃時(shí)化學(xué)性質(zhì)依然穩(wěn)定[3]。室溫下,β-FeSi2薄膜能生長硅和石英等固體材料表面[4]。特別地, β-FeSi2能吸收從可見光到近紅外范圍內(nèi)的光子能量[5-6]。這些特性使 β-FeSi2薄膜適合制備太陽能電池、光電傳感器、熱電轉(zhuǎn)換器等[5, 7-8]。通常情況下,β-FeSi2薄膜呈現(xiàn)n型導(dǎo)電,但是可以通過調(diào)節(jié)Si/Fe的原子比來改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型[2, 9]。β-FeSi2的制備工藝與現(xiàn)代硅基集成電路工藝兼容,這種特性擴(kuò)展了它在半導(dǎo)體器件和光電器件中的應(yīng)用[10-11]。然而,當(dāng)β-FeSi2薄膜應(yīng)用于太陽能電池時(shí),其開路電壓較低,因?yàn)樗钦瓗恫牧?。理論?β-FeSi2薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是28%[12],但是目前為止,制備的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高是3.7%[2],遠(yuǎn)小于理論值。

在硅基電子時(shí)代,因?yàn)棣?FeSi2與Si晶格失配度小于5%,β-FeSi2薄膜電池通常制備在硅襯底上。室溫下,硅的帶隙值是1.12 eV,由β-FeSi2和Si制備的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率低的原因之一是對太陽光的吸收率較低。因此,研究β-FeSi2薄膜在Si襯底上光的傳輸特性,尤其是在可見光和近紅外的傳輸特性,對于提高器件的光電性能有重要意義。

本文研究Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)在可見光和近紅外范圍光的傳輸特性。β-FeSi2和底層Si的厚度是固定的,β-FeSi2在太陽能電池中的厚度適宜值是0.2～0.3 μm[13-14]。因此,采用有限元方式分析器件的光學(xué)傳輸性能,β-FeSi2厚度值取 0.3 μm。

1 原理

當(dāng)光束在折射率不連續(xù)變化的多層介質(zhì)中傳播時(shí),會(huì)發(fā)生反射和透射。理論的詳細(xì)討論已有文獻(xiàn)報(bào)道[15],通過推導(dǎo)已經(jīng)得到相關(guān)的表達(dá)式,得到廣泛應(yīng)用[16-20]。 特別地,根據(jù)菲涅爾系數(shù)矩陣公式(1),對置于空氣中的三層薄膜結(jié)構(gòu),其反射率和透射率可以推導(dǎo)得到,如公式(3) 和(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

平面波以直角入射,光波長為0.30～1.60 μm。由菲涅爾方程和麥克斯韋方程,吸收率為A(λ)=1-R(λ)-T(λ)。R(λ) 和T(λ) 分別為反射率和透射率,通過有限元分析,它們的值與材料的折射率有關(guān),包括折射率的實(shí)部和虛部。β-FeSi2和Si的復(fù)折射率見文獻(xiàn)[21-22],如圖1和圖2所示。

圖1 β-FeSi2的復(fù)折射率圖Fig. 1 Refractive index of β-FeSi2

圖2 Si的復(fù)折射率圖Fig. 2 Refractive index of Si

2 方法

對Si/β-FeSi2/Si的反射率和透射率的研究有利于提高器件的性能,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 The structure of Si/β-FeSi2/Si

圖3中,h1、h2和h3分別表示頂層Si的厚度、中間層β-FeSi2的厚度和底層Si的厚度。平面波光束是可見光和近紅外光,且垂直入射,其波長范圍是0.3～1.6 μm。研究了兩種參數(shù)的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu),如表1所示。在兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)中,僅有h1是變化的,在圖4、圖5和圖6中均用曲線a和曲線b分別表示2種器件的光學(xué)傳輸特性。

表1 半導(dǎo)體器件的參數(shù)Tab. 1 The parameters of semiconductor device

圖4 Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)的反射率圖Fig. 4 Reflectivities of Si/β-FeSi2/Si

圖5 Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)的透射率圖Fig. 5 Transmissivities of Si/β-FeSi2/Si

圖6 Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)的吸收率圖Fig. 6 Absorptivity of Si/β-FeSi2/Si

以菲涅爾理論為基礎(chǔ),運(yùn)用有限元方法計(jì)算了三層結(jié)構(gòu)的反射率R(λ)和透射率T(λ)。

3 結(jié)果與討論

對Si/β-FeSi2/Si三層結(jié)構(gòu)的反射率和透射率的研究結(jié)果如圖4和圖5 所示。

如圖4所示,總體上,在0.30～1.10 μm的波長范圍, 反射率隨著波長的增加在下降。但是在波長1.10～1.60 μm,反射率迅速上升,類似振幅增大的振蕩波。當(dāng)波長為0.30～0.45 μm時(shí),隨著頂層硅厚度從0.05 μm增加到0.20 μm,反射率從0.62下降到0.53。但是波長為 0.45～0.52 μm時(shí),隨著頂層硅厚度從0.20 μm減少到0.05 μm,反射率的峰值從0.56 上升到0.63。在波長0.30～1.10 μm范圍,反射率對頂層硅厚度敏感,其峰值的數(shù)目隨厚度的增加而增加,其值在0.10到0.57之間變化。 在波長1.10 μm處, 兩種參數(shù)結(jié)構(gòu)的反射率相同,約為0.30。波長在1.10～1.60 μm之間時(shí),反射率對波長敏感,反射率值是振蕩波形,其振幅在0～0.78間變化。

當(dāng)頂層硅厚度從0.05 μm增加到0.20 μm時(shí), 在波長0.50 μm處,反射率從0.62下降到0.18;在波長0.80 μm處,反射率從0.18上升到0.53?？偟膩碚f,頂層硅的厚度越大,反射率變化就越大。因此,這種結(jié)構(gòu)能應(yīng)用到高靈敏度的光電傳感器中,通過選擇不同的頂層硅厚度來確定最優(yōu)的反射率和反射帶寬。

如圖5所示,在0.30～1.00 μm的波長范圍,兩種參數(shù)的結(jié)構(gòu)透射率都是0;在1.00～1.15 μm的波長范圍,透射率線性地從0增加到0.20;然而,在波長1.15～1.60 μm的范圍,透射率是一個(gè)快速振蕩的波形,而且振幅在變大,在1.20 μm處是0.12到0.48,在1.40 μm處是從 0.27到0.90。相似地,隨著波長的增大,這樣類似振蕩形式的透射率的變化表明這種結(jié)構(gòu)對波長敏感,而且在近紅外范圍內(nèi)有較大的透射率值。

總的來說,這種結(jié)構(gòu)在可見光的透射率是0;在近紅外范圍有較大的數(shù)值,且有較大的波長敏感性。當(dāng)頂層硅厚度從0.05 μm 增加到0.20 μm時(shí),透射率沒有明顯的變化。這種特性表明這樣的器件結(jié)構(gòu)可以用來制備諧振吸收器,或者適用于可見光的光學(xué)帶阻濾波器,或適用于近紅外的光學(xué)帶通濾波器。這種結(jié)構(gòu)的吸收率,如圖6所示。在波長0.30～1.10 μm范圍,吸收率的值在0.38～0.87間變化,而且呈振蕩波形。 隨著頂層硅厚度的增加,吸收率波形的峰值數(shù)目在增加,峰值也在增大,其半高峰寬在變小。也就是說,頂層硅厚度的變化對吸收率影響較大。這種現(xiàn)象表明該結(jié)構(gòu)在可見光內(nèi)有較大的吸收率,頂層硅厚度為0.05 μm時(shí),其最大的半高峰寬值是0.40 μm。波長為1.10～1.60 μm, 吸收率迅速從0.70下降到0。

當(dāng)頂層硅厚度從0.05 μm增加到0.20 μm時(shí),波長0.50 μm處的吸收率從0.40增加到0.84,波長0.80 μm處的反射率從0.87下降到0.43。總的來說,在可見光范圍,這種特性可以應(yīng)用于光電器件,如太陽能電池、光電探測器等。

如圖4、圖5、圖6所示,這種結(jié)構(gòu)的反射率在可見光范圍是從0.12上升到0.63,在近紅外由0增加到0.78;透射率在可見光范圍是0,在近紅外由0.15增加到0.90;相應(yīng)地,吸收率在可見光范圍從0.38上升到0.87,在近紅外范圍從 0.70迅速下降到0。隨著頂層硅厚度的增加,反射率、透射率和吸收率的曲線變化迅速。在這種結(jié)構(gòu)中,頂層硅的厚度極大地影響了器件在可見光范圍內(nèi)的光學(xué)傳輸特性,并且有較高的反射率和吸收率;但是在近紅外范圍內(nèi),頂層硅的厚度對光學(xué)傳輸特性的影響不明顯,有較高的反射率和透射率。這種特性可以用來制備光電器件。

材料的色散關(guān)系是造成器件這種特性的主要原因。硅材料在波長0.30～0.37 μm范圍內(nèi)有巨大的反常色散dn/dλ=30.5 μm-1,材料β-FeSi2在波長0.30～1.10 μm范圍內(nèi)有較大的反常色散dn/dλ=5 μm-1。硅材料在波長0.37～0.73 μm有正常色散dn/dλ=-5.8 μm-1;在0.73～1.60 μm的波長范圍內(nèi)其折射率實(shí)部和虛部是常數(shù),虛部值較大,實(shí)部很小,其值接近于0;同樣地,材料β-FeSi2在 1.10～1.60 μm波長內(nèi)有正常色散dn/dλ=-2.1 μm-1。

4 結(jié)論

對于Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu), 隨著頂層硅厚度的變化,該結(jié)構(gòu)可以在可見光和近紅外制備高靈敏度的光電器件,如光學(xué)帶阻濾波器或光學(xué)帶通濾波器和具有高吸收率的太陽能電池。通過合理調(diào)節(jié)頂層硅的厚度,可以獲得適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)傳輸特性,以得到需要的器件性能。該器件結(jié)構(gòu)簡單,制備方便,性能調(diào)節(jié)容易,與現(xiàn)代硅基集成電路工藝兼容,成本低,有利于β-FeSi2應(yīng)用于Si基器件的設(shè)計(jì)和制備,獲得優(yōu)良的光學(xué)傳輸性能。本文的研究為設(shè)計(jì)制備高靈敏度的光學(xué)器件提供了理論依據(jù);為設(shè)計(jì)制備更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池提供了前期研究基礎(chǔ),如果從理論上和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步研究該結(jié)構(gòu)的光生載流子輸運(yùn)情況,就可以得到具有更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。