硅膜厚度对Si/β-FeSi2/Si在宽光谱范围的传输特性影响

熊锡成,谢 泉,姜 淳,黄全振,武兴会

(1. 河南工程学院 电气信息工程学院, 河南 郑州 451191; 2. 贵州大学 大数据与信息工程学院, 贵州 贵阳 550025;3. 上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室, 上海 200240)

0 引言

正交晶体β-FeSi2是新型的环境友好型半导体材料,可以用于制备太阳能电池和发光二极管等光电器件上[1]。Fe元素和Si元素在地球上储量丰富[2]。室温下,β-FeSi2的直接带隙是0.87 eV,光子能量是1.2 eV时,其吸收系数很高,超过1×105cm-1[1-2]。因此,β-FeSi2作为半导体光电器件的活性吸收层,性能优良。并且,β-FeSi2没有毒性,在900 ℃时化学性质依然稳定[3]。室温下,β-FeSi2薄膜能生长硅和石英等固体材料表面[4]。特别地, β-FeSi2能吸收从可见光到近红外范围内的光子能量[5-6]。这些特性使 β-FeSi2薄膜适合制备太阳能电池、光电传感器、热电转换器等[5, 7-8]。通常情况下,β-FeSi2薄膜呈现n型导电,但是可以通过调节Si/Fe的原子比来改变半导体的导电类型[2, 9]。β-FeSi2的制备工艺与现代硅基集成电路工艺兼容,这种特性扩展了它在半导体器件和光电器件中的应用[10-11]。然而,当β-FeSi2薄膜应用于太阳能电池时,其开路电压较低,因为它是窄带隙材料。理论上,β-FeSi2薄膜太阳能电池的光电转换效率是28%[12],但是目前为止,制备的太阳能电池的光电转换效率最高是3.7%[2],远小于理论值。

在硅基电子时代,因为β-FeSi2与Si晶格失配度小于5%,β-FeSi2薄膜电池通常制备在硅衬底上。室温下,硅的带隙值是1.12 eV,由β-FeSi2和Si制备的太阳能电池光电转换效率低的原因之一是对太阳光的吸收率较低。因此,研究β-FeSi2薄膜在Si衬底上光的传输特性,尤其是在可见光和近红外的传输特性,对于提高器件的光电性能有重要意义。

本文研究Si/β-FeSi2/Si结构在可见光和近红外范围光的传输特性。β-FeSi2和底层Si的厚度是固定的,β-FeSi2在太阳能电池中的厚度适宜值是0.2～0.3 μm[13-14]。因此,采用有限元方式分析器件的光学传输性能,β-FeSi2厚度值取 0.3 μm。

1 原理

当光束在折射率不连续变化的多层介质中传播时,会发生反射和透射。理论的详细讨论已有文献报道[15],通过推导已经得到相关的表达式,得到广泛应用[16-20]。 特别地,根据菲涅尔系数矩阵公式(1),对置于空气中的三层薄膜结构,其反射率和透射率可以推导得到,如公式(3) 和(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

平面波以直角入射,光波长为0.30～1.60 μm。由菲涅尔方程和麦克斯韦方程,吸收率为A(λ)=1-R(λ)-T(λ)。R(λ) 和T(λ) 分别为反射率和透射率,通过有限元分析,它们的值与材料的折射率有关,包括折射率的实部和虚部。β-FeSi2和Si的复折射率见文献[21-22],如图1和图2所示。

图1 β-FeSi2的复折射率图Fig. 1 Refractive index of β-FeSi2

图2 Si的复折射率图Fig. 2 Refractive index of Si

2 方法

对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,结构如图3所示。

图3 Si/β-FeSi2/Si结构图Fig. 3 The structure of Si/β-FeSi2/Si

图3中,h1、h2和h3分别表示顶层Si的厚度、中间层β-FeSi2的厚度和底层Si的厚度。平面波光束是可见光和近红外光,且垂直入射,其波长范围是0.3～1.6 μm。研究了两种参数的半导体器件结构,如表1所示。在两种结构参数中,仅有h1是变化的,在图4、图5和图6中均用曲线a和曲线b分别表示2种器件的光学传输特性。

表1 半导体器件的参数Tab. 1 The parameters of semiconductor device

图4 Si/β-FeSi2/Si结构的反射率图Fig. 4 Reflectivities of Si/β-FeSi2/Si

图5 Si/β-FeSi2/Si结构的透射率图Fig. 5 Transmissivities of Si/β-FeSi2/Si

图6 Si/β-FeSi2/Si结构的吸收率图Fig. 6 Absorptivity of Si/β-FeSi2/Si

以菲涅尔理论为基础,运用有限元方法计算了三层结构的反射率R(λ)和透射率T(λ)。

3 结果与讨论

对Si/β-FeSi2/Si三层结构的反射率和透射率的研究结果如图4和图5 所示。

如图4所示,总体上,在0.30～1.10 μm的波长范围, 反射率随着波长的增加在下降。但是在波长1.10～1.60 μm,反射率迅速上升,类似振幅增大的振荡波。当波长为0.30～0.45 μm时,随着顶层硅厚度从0.05 μm增加到0.20 μm,反射率从0.62下降到0.53。但是波长为 0.45～0.52 μm时,随着顶层硅厚度从0.20 μm减少到0.05 μm,反射率的峰值从0.56 上升到0.63。在波长0.30～1.10 μm范围,反射率对顶层硅厚度敏感,其峰值的数目随厚度的增加而增加,其值在0.10到0.57之间变化。 在波长1.10 μm处, 两种参数结构的反射率相同,约为0.30。波长在1.10～1.60 μm之间时,反射率对波长敏感,反射率值是振荡波形,其振幅在0～0.78间变化。

当顶层硅厚度从0.05 μm增加到0.20 μm时, 在波长0.50 μm处,反射率从0.62下降到0.18;在波长0.80 μm处,反射率从0.18上升到0.53。总的来说,顶层硅的厚度越大,反射率变化就越大。因此,这种结构能应用到高灵敏度的光电传感器中,通过选择不同的顶层硅厚度来确定最优的反射率和反射带宽。

如图5所示,在0.30～1.00 μm的波长范围,两种参数的结构透射率都是0;在1.00～1.15 μm的波长范围,透射率线性地从0增加到0.20;然而,在波长1.15～1.60 μm的范围,透射率是一个快速振荡的波形,而且振幅在变大,在1.20 μm处是0.12到0.48,在1.40 μm处是从 0.27到0.90。相似地,随着波长的增大,这样类似振荡形式的透射率的变化表明这种结构对波长敏感,而且在近红外范围内有较大的透射率值。

总的来说,这种结构在可见光的透射率是0;在近红外范围有较大的数值,且有较大的波长敏感性。当顶层硅厚度从0.05 μm 增加到0.20 μm时,透射率没有明显的变化。这种特性表明这样的器件结构可以用来制备谐振吸收器,或者适用于可见光的光学带阻滤波器,或适用于近红外的光学带通滤波器。这种结构的吸收率,如图6所示。在波长0.30～1.10 μm范围,吸收率的值在0.38～0.87间变化,而且呈振荡波形。 随着顶层硅厚度的增加,吸收率波形的峰值数目在增加,峰值也在增大,其半高峰宽在变小。也就是说,顶层硅厚度的变化对吸收率影响较大。这种现象表明该结构在可见光内有较大的吸收率,顶层硅厚度为0.05 μm时,其最大的半高峰宽值是0.40 μm。波长为1.10～1.60 μm, 吸收率迅速从0.70下降到0。

当顶层硅厚度从0.05 μm增加到0.20 μm时,波长0.50 μm处的吸收率从0.40增加到0.84,波长0.80 μm处的反射率从0.87下降到0.43。总的来说,在可见光范围,这种特性可以应用于光电器件,如太阳能电池、光电探测器等。

如图4、图5、图6所示,这种结构的反射率在可见光范围是从0.12上升到0.63,在近红外由0增加到0.78;透射率在可见光范围是0,在近红外由0.15增加到0.90;相应地,吸收率在可见光范围从0.38上升到0.87,在近红外范围从 0.70迅速下降到0。随着顶层硅厚度的增加,反射率、透射率和吸收率的曲线变化迅速。在这种结构中,顶层硅的厚度极大地影响了器件在可见光范围内的光学传输特性,并且有较高的反射率和吸收率;但是在近红外范围内,顶层硅的厚度对光学传输特性的影响不明显,有较高的反射率和透射率。这种特性可以用来制备光电器件。

材料的色散关系是造成器件这种特性的主要原因。硅材料在波长0.30～0.37 μm范围内有巨大的反常色散dn/dλ=30.5 μm-1,材料β-FeSi2在波长0.30～1.10 μm范围内有较大的反常色散dn/dλ=5 μm-1。硅材料在波长0.37～0.73 μm有正常色散dn/dλ=-5.8 μm-1;在0.73～1.60 μm的波长范围内其折射率实部和虚部是常数,虚部值较大,实部很小,其值接近于0;同样地,材料β-FeSi2在 1.10～1.60 μm波长内有正常色散dn/dλ=-2.1 μm-1。

4 结论

对于Si/β-FeSi2/Si结构, 随着顶层硅厚度的变化,该结构可以在可见光和近红外制备高灵敏度的光电器件,如光学带阻滤波器或光学带通滤波器和具有高吸收率的太阳能电池。通过合理调节顶层硅的厚度,可以获得适当的光学传输特性,以得到需要的器件性能。该器件结构简单,制备方便,性能调节容易,与现代硅基集成电路工艺兼容,成本低,有利于β-FeSi2应用于Si基器件的设计和制备,获得优良的光学传输性能。本文的研究为设计制备高灵敏度的光学器件提供了理论依据;为设计制备更高光电转换效率的太阳能电池提供了前期研究基础,如果从理论上和实验上进一步研究该结构的光生载流子输运情况,就可以得到具有更高光电转换效率的太阳能电池。