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

(1. 河南工程學院 電氣信息工程學院, 河南 鄭州 451191; 2. 貴州大學 大數據與信息工程學院, 貴州 貴陽 550025;3. 上海交通大學 區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室, 上海 200240)

0 引言

正交晶體β-FeSi2是新型的環境友好型半導體材料,可以用于制備太陽能電池和發光二極管等光電器件上[1]。Fe元素和Si元素在地球上儲量豐富[2]。室溫下,β-FeSi2的直接帶隙是0.87 eV,光子能量是1.2 eV時,其吸收系數很高,超過1×105cm-1[1-2]。因此,β-FeSi2作為半導體光電器件的活性吸收層,性能優良。并且,β-FeSi2沒有毒性,在900 ℃時化學性質依然穩定[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、熱電轉換器等[5, 7-8]。通常情況下,β-FeSi2薄膜呈現n型導電,但是可以通過調節Si/Fe的原子比來改變半導體的導電類型[2, 9]。β-FeSi2的制備工藝與現代硅基集成電路工藝兼容,這種特性擴展了它在半導體器件和光電器件中的應用[10-11]。然而,當β-FeSi2薄膜應用于太陽能電池時,其開路電壓較低,因為它是窄帶隙材料。理論上,β-FeSi2薄膜太陽能電池的光電轉換效率是28%[12],但是目前為止,制備的太陽能電池的光電轉換效率最高是3.7%[2],遠小于理論值。

在硅基電子時代,因為β-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結構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傳輸性能,β-FeSi2厚度值取 0.3 μm。

1 原理

當光束在折射率不連續變化的多層介質中傳播時,會發生反射和透射。理論的詳細討論已有文獻報道[15],通過推導已經得到相關的表達式,得到廣泛應用[16-20]。 特別地,根據菲涅爾系數矩陣公式(1),對置于空氣中的三層薄膜結構,其反射率和透射率可以推導得到,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,包括折射率的實部和虛部。β-FeSi2和Si的復折射率見文獻[21-22],如圖1和圖2所示。

圖1 β-FeSi2的復折射率圖Fig. 1 Refractive index of β-FeSi2

圖2 Si的復折射率圖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,結構如圖3所示。

圖3 Si/β-FeSi2/Si結構圖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。研究了兩種參數的半導體器件結構,如表1所示。在兩種結構參數中,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種器件的光學傳輸特性。

表1 半導體器件的參數Tab. 1 The parameters of semiconductor device

圖4 Si/β-FeSi2/Si結構的反射率圖Fig. 4 Reflectivities of Si/β-FeSi2/Si

圖5 Si/β-FeSi2/Si結構的透射率圖Fig. 5 Transmissivities of Si/β-FeSi2/Si

圖6 Si/β-FeSi2/Si結構的吸收率圖Fig. 6 Absorptivity of Si/β-FeSi2/Si

以菲涅爾理論為基礎,運用有限元方法計算了三層結構的反射率R(λ)和透射率T(λ)。

3 結果與討論

對Si/β-FeSi2/Si三層結構的反射率和透射率的研究結果如圖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。當波長為0.30～0.45 μm時,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,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, 兩種參數結構的反射率相同,約為0.30。波長在1.10～1.60 μm之間時,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。

當頂層硅厚度從0.05 μm增加到0.20 μm時, 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,這種結構能應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,兩種參數的結構透射率都是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構對波長敏感,而且在近紅外范圍內有較大的透射率值。

總的來說,這種結構在可見光的透射率是0;在近紅外范圍有較大的數值,且有較大的波長敏感性。當頂層硅厚度從0.05 μm 增加到0.20 μm時,透射率沒有明顯的變化。這種特性表明這樣的器件結構可以用來制備諧振吸收器,或者適用于可見光的光學帶阻濾波器,或適用于近紅外的光學帶通濾波器。這種結構的吸收率,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。這種現象表明該結構在可見光內有較大的吸收率,頂層硅厚度為0.05 μm時,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。

當頂層硅厚度從0.05 μm增加到0.20 μm時,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?？偟膩碚f,在可見光范圍,這種特性可以應用于光電器件,如太陽能電池、光電探測器等。

如圖4、圖5、圖6所示,這種結構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。在這種結構中,頂層硅的厚度極大地影響了器件在可見光范圍內的光學傳輸特性,并且有較高的反射率和吸收率;但是在近紅外范圍內,頂層硅的厚度對光學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的波長范圍內其折射率實部和虛部是常數,虛部值較大,實部很小,其值接近于0;同樣地,材料β-FeSi2在 1.10～1.60 μm波長內有正常色散dn/dλ=-2.1 μm-1。

4 結論

對于Si/β-FeSi2/Si結構, 隨著頂層硅厚度的變化,該結構可以在可見光和近紅外制備高靈敏度的光電器件,如光學帶阻濾波器或光學帶通濾波器和具有高吸收率的太陽能電池。通過合理調節頂層硅的厚度,可以獲得適當的光學傳輸特性,以得到需要的器件性能。該器件結構簡單,制備方便,性能調節容易,與現代硅基集成電路工藝兼容,成本低,有利于β-FeSi2應用于Si基器件的設計和制備,獲得優良的光學傳輸性能。本文的研究為設計制備高靈敏度的光學器件提供了理論依據;為設計制備更高光電轉換效率的太陽能電池提供了前期研究基礎,如果從理論上和實驗上進一步研究該結構的光生載流子輸運情況,就可以得到具有更高光電轉換效率的太陽能電池。