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1、2004年2月汕头大学学报(自然科学版)第19卷 第1期Feb.2004JournalofShantouUniversity(NaturalScience)Vol119No1非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的影响余云鹏,林舜辉,黄 ,林璇英(汕头大学物理系,汕头 515063)摘 要:针对膜厚的均匀性对非晶硅薄膜透射光谱(400～1000nm)的影响问题,通过模拟计算分析在不同膜厚、厚度(线性)变化率和照射面积条件下,厚度均匀性对谱线的影响.结果表明这种影响主要发生在薄膜的无吸收区和弱吸收区,表现为峰—峰值变小和振荡周期畸变.减小照射面积可
2、有效地降低这种影响.关键词:薄膜;厚度;透射谱;均匀性+中图分类号:O43311;O484141 文献标识码:A 文章编号:100124217(2004)01200502050 引 言非晶硅薄膜是一种重要的光电材料,在廉价太阳能电池、薄膜场效应管和光敏器件[1]中都有广泛的应用.通过测量透射光谱,人们可以获得折射率、色散关系、膜厚以及光[2,3]学能隙这些重要的光学参量.但在测量时,我们注意到样品由于制备条件的限制,厚度难以保证理想均匀,而且考虑到光衍射、仪器灵敏度等方面的原因,采用的光栏或狭缝一般不会太细,有一定的照射面积.因此在分析薄膜的
3、透射谱时,应该顾及膜厚均匀性的影响.已有文献报道在利用光透射谱或反射谱测定膜厚和吸收时考虑到这个问题,并[3～5]提出了合理的解决方法来测定薄膜正确的光学参量.本文通过模拟计算的方法,从另一个角度分析各种情况下不同膜厚均匀度对谱线的影响状况和规律.1 计算过程介绍采用图1所示的样品模型,a2Si:H薄膜沉积在透明的玻璃衬底上.膜和衬底的折射d2-d1率分别是n和ns(ns=115).假设膜厚按线性关系d=d1+x均匀变化,xo代表照射xo狭缝长度.薄膜表面光滑而且厚度起伏缓慢,可近似地认为均匀光垂直入射到表面.见图1,照射面积大约5mm×1m
4、m.图1 样品模型结构示意图收稿日期:2003209201作者简介:余云鹏(1969～),男,广东饶平人,硕士.©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第1期余云鹏等:非晶硅薄膜厚度均匀性对其透射光谱的影响51光照时,图中三个界面的反射率如下:2n-1R1=(1)n+12n-nsR2=(2)n+ns2ns-1R3=(3)ns+1R1、R2、R3分别表示空气ö薄膜、薄膜ö衬底、衬底ö空气的光强反射率.
5、在我们关心[5,6]的波长范围(400～1000nm),a2Si:H材料呈现正常色散关系和Urbach吸收边:72n=216+3×10öK(4)2(12400öK-Eopt)A(K)=A(5)12400öK21K为光波长,以~为单位.A代表吸收系数,单位为nm.Eopt表示材料光能隙,取116eV.A是随材料吸收性能而改变的参数.根据薄膜干涉原理,当光束垂直入射到厚度[2,4,5]为d的均匀薄膜表面时,光透过率:-ad(1-R2)(1-R3)eT=(6)-2ad-ad1+R2R3e-2R2R3ecosU4Pnd其中位相差U=.对于图1所示样品
6、,在光照射的面积内,光透过率随膜厚变化,K积分后其光透过率为:x-ad1o(1-R2)(1-R3)eT(K)=dx(7)x∫o0-2ad-ad1+R2R3e-2R2R3ecosU其中d随x线性变化.根据上式,采用数值积分编程可以计算出各种参数条件下相应的光透过谱.2 计算结果及讨论211 不同膜厚情况下均匀性的影响在吸收特性和照射面积不变的条件下,对于图1所示结构的样品,不同的平均厚度((d1+d2)ö2)和厚度变化率((d2-d1)öxo)相应的透射谱示于图2.各谱线的计算参数列在表1中.从图2结果可以看出,虽然平均厚度增大引起谱线振荡周期
7、缩小,但都表明了厚度均匀性对透射谱相同的影响规律.随着不均匀度增加,在无吸收的长波段,谱线峰—峰值比均匀厚度的结果明显变小,但几乎不影响振荡周期;在弱吸收区,膜厚的均匀度严重影响透射谱结果,不仅峰值变化,而且振荡周期也发生畸变;而在强吸收区,谱线受厚度均匀性的影响不明显.薄膜厚度较薄时,对振荡周期造成影响的区域变宽.当我们[5,7]利用光透射谱来测定薄膜的光学参数时,计算需要正确的透过率峰值.因此从这些结果来看,膜厚的均匀性将严重影响薄膜材料在弱吸收区和透明区得到的吸收系数及折射率结果的准确性.若忽略不均匀度的问题而认为薄膜厚度均匀,那么有可
8、能导致测定的参量存在较大误差.这对于其他透明或弱吸收薄膜都有相同的问题.©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublis
