专利名称：完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体材料参数拟合方法，具体是一种完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法，用于半导体材料领域。
背景技术：
随着半导体产业的迅速发展，半导体光学性质的研究无论对材料性质的分析，还是在新型光电器件的设计方面，其重要性日益显著。其广泛的应用实例可见诸相关文献和各种教科书，其中，吸收光谱的测量是一种十分常用的研究手段，特点是简单易行且有较大的普适性，能从具体的物理模型中得出不同波长下的吸收系数。在直接带隙半导体中，完整的带间吸收系数是由本征吸收范围内的平方根吸收和跃迁到乌尔巴赫(Urbach)带尾的指数式吸收衔接而成。所谓带尾，是一种由于晶格无序与声子相互作用引起的从抛物型能带向外延伸的一种结构，反映了与晶格缺陷、杂质、位错、应力及晶粒界面影响等有关的结构无序度方面的信息。
经对现有技术检索和分析，发现在间接带隙半导体中，直接带隙半导体中的处理模式。如J.H.Sun，W.Z.Shen，and F.Y.Meng在《美国应用物理杂志(J.Appl.Phys.)》(第93卷，第9615-9619页，2003年)上发表的“多晶硅带尾特性(Band-tailCharacteristics in Polysilicon)”，该文在考虑声子的参与下，直接将表征本征吸收与带尾吸收的两个公式衔接。事实上，正是这种简单的、不完整的处理导致在大量间接半导体吸收光谱的拟合中，在吸收边附近存在较大偏差的根本原因。这在要求较高精度的参数拟合计算中是不能令人满意的。
发明内容
本发明的目的在于从根本上克服了传统间接带隙半导体透射率及相关参数拟合计算中的不足，提供一种完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法，使其具有完整、准确度更高、提供信息更全面且简单易行的特点，可以广泛用于各种间接半导体性质的分析研究中，也将对相关的器件设计起到指导性作用。
本发明是通过以下技术方案实现的用红外光谱仪以垂直入射的方式测得间接带隙半导体材料的透射光谱，采用完整吸收系数公式，使得电子本征跃迁和向Urbach带尾的跃迁很好地衔接，并结合透射率公式，对实验结果进行拟合，可获得透射率、吸收系数、带尾参数、跃迁几率各参数的值。
本发明所述的完整吸收系数公式是改进了的间接带隙半导体吸收边附近吸收系数公式，通过与电子本征跃迁和向Urbach带尾跃迁很好地衔接来大幅提高拟合的精度。对于一般的p型材料，不同能量 下的吸收系数拟合公式表达如下 其中Eg，Ep，E0分别为带隙，平均声子能量和带尾参数；ΔE是为表征这样一个事实带尾是从Eg+ΔE延伸出去的，而非直接接在导带底Eg上。在两个衔接条件下，六个参数B，D，B’，D’，E0和ΔE中有四个是独立的拟合参数。
传统的拟合方法中仅将(1)和(3)式简单连接(这在直接带隙半导体中是可行的)，虽然也引入了声子的吸收和发射过程，但却忽略了一种重要的跃迁模式一个具有一定能量的受激电子可以通过吸收一个声子跃迁到导带而通过发射一个声子跃迁到带尾。本发明(2)式即是考虑到这种模式后插入的一个衔接项，并考虑了合理的衔接条件，使此拟合方法趋于完整。基于上述改进公式，就可结合透射率公式做拟合计算。
本发明得到的拟合结果能大大减小误差，且曲线较为平滑。这些特点已在对用于制造太阳能电池的多晶硅的红外光谱拟合中得到充分验证拟合曲线与实验曲线的偏差减小到原来的50％以下。用本发明中的完整吸收系数公式得到的各参数将更接近于材料的真实参数值。这为确定间接半导体材料微结构性质提供了一种更为准确的手段。
具体实施例方式
以下结合本发明方法所内容提供以下以多晶硅样品为例具体实施例1、用傅立叶变换红外光谱仪以垂直入射的方式测得一块多晶硅样品的透射光谱，测量波段可取为7000cm-1～11000cm-1。
2、采用本发明中提出的吸收系数公式(1)～(3)，并结合透射率公式，对实验结果进行拟合，可获得透射率、吸收系数、带尾参数、跃迁几率各参数的计算值。对于厚度为d的硅晶片，采用这样的透射率(TR)公式TR=(1-R1)(1-R2)(1-L1)(1-L2)a1-R1R2(1-L1(1-L2)a2,]]>其中 R1(L1)和R2(L2)分别为光线在空气/硅晶片正面和硅晶片背面/空气两界面的反射率(损失率)。
在7000cm-1～11000cm-1波段范围内用美国Nicolet公司生产的Nexus 870傅立叶变换红外光谱仪测量比利时IMEC公司的五块多晶硅太阳能电池样品常温透射光谱后，用Mathmatiea软件对上述拟合方法进行编程，运算结果显示平均总偏差减小到传统方案的36.4％，且各重要参数均符合多晶硅材料的物理特性。
由此可见，所获得的拟合结果有显著改善，计算出的透射率曲线总偏差减小到传统方案的50％以下，为诸如Si、Ge等间接带隙半导体材料研究提供了更为可靠的数据，进而对各种半导体器件的设计和工艺改进具有重要的意义。
权利要求
1.一种完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法，其特征在于，用红外光谱仪以垂直入射的方式测得间接带隙半导体材料的透射光谱，采用完整吸收系数公式，使得电子本征跃迁和向Urbach带尾跃迁很好地衔接，并结合透射率公式，对实验结果进行拟合，从而获得透射率、吸收系数、带尾参数、跃迁几率各参数的值。
2.根据权利要求1所述的完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法，其特征是，所述的完整吸收系数公式，是改进了的间接带隙半导体吸收边附近吸收系数公式，对于p型材料，各种能量 下的吸收系数拟合公式表达如下 其中Eg，Ep，E0分别为带隙，平均声子能量和带尾参数，ΔE是为表征这样一个事实带尾是从Eg+ΔE延伸出去的。
3.根据权利要求2所述的完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法，其特征是，在两个衔接条件下，六个参数B，D，B’，D’，E0和ΔE中有四个是独立的拟合参数。
全文摘要
一种完整的间接带隙半导体材料参数拟合方法，用于半导体材料领域。本发明用红外光谱仪以垂直入射的方式测得间接带隙半导体材料的透射光谱，采用完整吸收系数公式，使得电子本征跃迁和向Urbach带尾的跃迁很好地衔接，并结合透射率公式，对实验结果进行拟合，从而获得透射率、吸收系数、带尾参数、跃迁几率各参数的值。本发明从根本上改善了传统的间接半导体吸收光谱的拟合在吸收边附近存在较大偏差的根源，使得计算出的透射率曲线总偏差减小到传统方案的50％以下。其优越性已在对具体实验结果的拟合中得到充分体现。本发明可以广泛用于各种间接半导体材料的分析研究，并将对相关的器件设计起到指导性作用。
文档编号G01N21/35GK1563949SQ20041001719
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者沈文忠, 蔡蔚然 申请人:上海交通大学