Оптико-физические методы исследования (стр. 6 )

В аморфных и микрокристаллических полупроводниках трансляционная симметрия существенно нарушена или отсутствует совсем, что приводит к существенному изменению характера зависимости и искажению формы края собственного поглощения по сравнению с соответствующими монокристаллическими материалами. На рис. 4.5 приведен пример спектра аморфного (стеклообразного) полупроводника.

В области энергий превышающих ширину запрещенной зоны наблюдается более резкий по сравнению с монокристаллами спад поглощения, что является следствием нарушения правила отбора по квазиимпульсу; соответствующий участок кривой поглощения описывается параболой:

, (4.7, а)

В области зависимость описывается экспоненциальной функцией (4.7, б), а соответствующий участок кривой носит название хвоста Урбаха. Наличие хвоста Урбаха обусловлено, в частности, высокой плотностью локализованных состояний в запрещенной зоне.

Рис. 4.5. Спектр поглощения аморфного полупроводника (1 – параболический участок, 2 – хвост Урбаха)

, (4.7, б)

где r – переменный показатель степени, который в зависимости от конкретного материала принимает значения от 1 до 3 (в большинстве случаев r = 2), – характеристическая энергия Урбаха.

По сравнению с соответствующими монокристаллами край собственного поглощения аморфных полупроводников сдвинут в область меньших длин волн. При этом, чем меньше степень упорядоченности материала, тем данный сдвиг больше.

Для определения ширины запрещенной зоны аморфного полупроводника в соответствии с выражением (4.7, а) необходимо построить график зависимости , выделить на нем линейный участок и экстраполировать его до пересечения с осью абсцисс; точка пересечения прямой с осью позволяет определить .

Для определения характеристической энергии Урбаха необходимо построить график зависимости в полулогарифмическом масштабе. В области хвоста Урбаха () в соответствии с выражением (3.7, б) зависимость принимает вид , что позволяет найти по углу наклона линейного участка кривой.

4.1.4 Способы уменьшения потерь излучения на френелевское отражение на границах раздела

Коэффициент френелевского отражения от границы раздела двух сред с показателями преломления и может быть рассчитан по формуле . В частности, коэффициент отражения от границы воздух-стекло () составляет 4%, от границы воздух-кремний () – 30 %.

Как следует из выражений (4.3), (4.4), если не принимать специальных мер, в оптоэлектронных приборах на основе тонких пленок полупроводников потери излучения на отражение от границ раздела могут достигать десятков процентов. Для уменьшения таких потерь применяют диэлектрические интерференционные покрытия, которые обычно называют просветляющими.

Простейшее просветляющее покрытие представляет собой диэлектрическую пленку толщиной в четверть длины волны , при этом коэффициент отражения от границы раздела составит:

, (4.8)

где – показатель преломления покрытия; , – показатели преломления сред, формирующих границу.

При условии, что коэффициент преломления просветляющей плёнки равен , лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон, погасятся вследствие интерференции и коэффициент отражения обратится в ноль. Это не всегда реализуемо на практике, так как сложно подобрать материал с заданным показателем преломления, который одновременно удовлетворяет всем технологическим требованиям, однако даже однослойные покрытия на оптическом стекле позволяют уменьшит потери в 3-4 раза. Лучший эффект дают многослойные просветляющие покрытия.

4.2. Измерительная установка

Оптическая схема спектрофотометра, используемого в данной работе, полностью аналогична оптической схеме макета, детально рассмотренного в описании к работе 1. В отличие от макета прибор полностью автоматизирован, имеет оптический затвор с электромагнитным приводом для прерывания пучка в момент измерения темнового сигнала ПЗС, а также снабжен кареткой на 3 позиции для автоматической смены образцов.

Управление спектрофотометром реализуется с помощью специализированного программного обеспечения в среде MS Windows, подключение к ПК осуществляется по USB интерфейсу. Подробно характеристики прибора приведены в табл. 1. Описание программного обеспечения содержится в приложении 2.

Таблица 4.1

Технические характеристики спектрофотометра

Рабочий спектральный диапазон	180…660 нм
Спектральное разрешение	~0.2 нм
Дифракционная решетка	Вогнутая, число штрихов N1 = 300 шт./мм; угол блеска a = 1.7°; радиус кривизны R = 250 мм; высота штриха H = 25 мм
Источник излучения	Дейтериевая лампа ДНМ-15
Фотоприемник	ПЗС (3648 пикселей), неохлаждаемый
Время регистрации одного спектра	От 8 мс до 2 с
Внешний интерфейс	USB
Питание	220 В, 50 Гц

4.3. Задания и указания к их выполнению

Объектами исследования в работе служат образец оптического стекла с высоким качеством полировки поверхностей, которое применяется в качестве подложки для нанесения тонких пленок аморфного кремния при изготовлении солнечных элементов, а также несколько образцов тонких пленок различных полупроводниковых материалов (по заданию преподавателя).

Задание 3.1. Измерение спектров пропускания исследуемых образцов.

Включить питание спектрофотометра, дать прибору прогреется не менее 15 мин. Провести автоматическую калибровку прибора. Перейти в режим измерения пропускания.

Последовательно устанавливать в пучок исследуемые образцы, наблюдать спектры пропускания, сохранить спектры в файл.

Задание 3.2. Расчет спектров поглощения исследуемых материалов.

Импортировать спектры в книгу MS Excel (см. П1.4). Построить графики зависимости для всех исследуемых образцов.

Пользуясь данными о показателях преломления исследуемых сред, рассчитать коэффициенты френелевского отражения от границ раздела в исследуемых образцах.

Рассчитать коэффициент поглощения на каждой длине волны. При расчете для объемных образцов использовать выражение (4.3), для тонких пленок на подложке – выражение (4.4).

Построить графики зависимости для всех исследуемых образцов. Для нахождения энергии фотона использовать расчетную формулу .

Задание 3.3. Оценка потерь на отражение от границ раздела.

По графику зависимости найти коэффициент пропускания образца оптического стекла в области прозрачности материала, оценить потери на отражение от границ раздела. Расчетным путем определить насколько уменьшатся потери на отражение при нанесении однослойного просветляющего покрытия на основе пленки NaF (n = 1.33).

Оценить как уменьшится коэффициент отражения от поверхности кремния (n = 3.51) при нанесении однослойного просветляющего покрытия на основе пленки SiO2 (n = 1.45).

Задание 3.4. Определение ширины запрещенной зоны и характеристической энергии Урбаха.

Для каждого из образцов, включая оптическое стекло, построить графики зависимости , выделить линейные участки и экстраполировать их до пересечения с осью абсцисс. Определить ширину запрещенной зоны в соответствии с описанной методикой.