New Numerical Simulation of the Optical Behavior of Nanocrystalline Silicon Thin Films

AbstractThe absorption enhancement observed on the CPM spectra of nanotextured silicon thin films should be attributed to light scattering effects. A detailed numerical simulation based on Monte Carlo method is presented to calculate the absorption spectra of hydrogenated nanocrystalline silicon films according to the CPM setup. The calculated spectra of apparent optical absorption coefficient depend mainly on the characteristic parameters of nano-Si:H thin film, denoted crystalline/amorphous fraction which favors bulk light scattering phenomena and the film thickness which leads to the light scattering at the rough surface

Вплив кристалічної об'ємної фракції на електронні властивості гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію, дослідженого методом еліпсометрії та моделюванням мікроелектронних і фотонних структур

The main objective of the present work is to study experimentally and by simulation, using the one dimensional analysis of microelectronic and photonic structures program (AMPS-1D), the correlation between the crystalline volume fraction (Fc) and the transport properties of hydrogenated microcrystalline silicon thin films (мc-Si:H). The Fc was determined by spectroscopic ellipsometry (SE) and the electrical conductivity measurements. The мc-Si:H samples were deposited by radio-frequency magnetron sputtering technique of a crystalline silicon target, under an argon (Ar) gas mixture of 70 % of hydrogen (H2) and 30 % of Ar, at three different total pressures (2, 3 and 4 Pa) and changing substrate temperatures (25, 100, 150 and 200 °C). The dark conductivity was measured in a coplanar configuration in an optical cryostat under applied electrical field and controlling current with an electrometer. In the simulation studies of the dark conductivity using the AMPS-1D, we modelled the films as an alternation of amorphous and crystalline regions with different crystalline volume fractions Fc (from 0 to 80 %). The results evidently demonstrated that the conductivity depends on the width of the area separating amorphous and crystalline regions. We found a strong correlation between the c-Si:H films activation energy and the crystalline volume fraction where the grain size-to-thickness ratio plays a crucial role.Метою даної роботи є експериментальне і модельне дослідження кореляції між об'ємною фракцією кристалів і транспортними властивостями тонких плівок гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію, використовуючи одновимірний аналіз програми мікроелектронних і фотонних структур (AMPS 1D). Об'ємну фракцію кристалів визначали спектроскопічною еліпсометрією і вимірюваннями елект- ропровідності. Зразки гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію осаджували методом радіочастотного магнетронного розпилення кристалічної мішені кремнію у газовій суміші аргону і водню при трьох різних сумарних тисках (2, 3 і 4 Па) та змінюючи температуру підкладки (25, 100, 150 і 200 °С). Темна провідність вимірювалася в копланарній конфігурації в оптичному кріостаті при прикладанні електричного поля і керуючого струму. У дослідженнях темної провідності з використанням AMPS-1D ми моделювали плівки як чергування аморфних і кристалічних областей з різними кристалічними об'ємними фракціями (від 0 до 80 %). Результати показали, що провідність залежить від ширини ділянки, що розділяє аморфні та кристалічні області. Була виявлена сильна кореляція між енергією активації плівок гідрогенізованого мікрокристалічного кремнію і об'ємною часткою кристалічних речовин, де співвідношення розміру зерна до його товщини грає вирішальну роль