On the fundamental absorpion of amorphous semiconductors

Abstract

The present thesis reviews different models that describe the fundamental absorption of amorphous semiconductors. These models make use of the electronic density of states to shape the absorption coefficient in the fundamental absorption region. The study focuses on the optical absorption of hydrogenated amorphous Silicon (a-Si:H), hydrogenated and non-hydrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:Hx), and silicon nitride (a-SiN) thin films. On the one hand, parameters like the Tauc-gap and Urbach energy are obtained from the absorption coefficient using the traditional models. On the other hand, a recently proposed model based on band thermal fluctuations was assessed [1]. This model allows a determination of the mobility gap and the Urbach energy from a single fit of the absorption coefficient without the need of identifying the Tauc region beforehand. Furthermore, it is able to discriminate the variation of the Urbach energy from the bandgap. The results allow the evaluation of the aforementioned parameters with annealing treatments at different temperatures. The mobility edges are insensitive to the structural disorder by at least one degree lower than the Urbach energy. This work demonstrates that it is possible to obtain the mobility edge through this model. In addition, the measured Tauc-gap and Urbach energy exhibit a strong linear correlation following the Cody model for all three materials. Finally, the Urbach focus concept is evaluated and estimated under different analysis.

En la presente tesis se revisan los diferentes modelos que describen la absorción fundamental de los semiconductores amorfos. Estos modelos hacen uso de la densidad de estados electrónicos para la forma del coeficiente de absorción en la región fundamental de absorción. El estudio se centra en la absorción óptica de películas delgadas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), carburo de silicio hidrogenado y sin hidrogeno amorfo a- SiC:Hx y nitruro de silicio amorfo a-SiN. Se obtuvieron parámetros como el Tauc-gap y la energía Urbach. Luego, se probó un modelo propuesto recientemente que considera las fluctuaciones térmicas de la banda. Este modelo permite determinar la brecha de los bordes de movilidad y la energía Urbach aplicando un solo ajuste del coeficiente de absorción sin la necesidad de la identificación de la región Tauc y Urbach de antemano. Además, es capaz de discriminar la variación de la energía de Urbach en banda prohibida. Los resultados permiten la evaluación de los parámetros antes mencionados, con el recocido de los tratamientos a diferentes temperaturas. Tomando ventaja que los bordes de movilidad deben permanecer insensible al desorden estructural (al menos en un grado menor que la energía Urbach) este trabajo demuestra que es posible obtener el borde movilidad a través de este modelo. Además, la medida Tauc-gap y la energía Urbach mostraron una fuerte conexión reproduciendo la relación lineal de Cody para los tres materiales. Por último, el concepto del foco Urbach se evalúa y se estima por diferentes análisis como son: ajuste global, relación lineal de Cody, análisis de Orapunt y nuestra aproximación.