CN100347536C - 半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法 - Google Patents

半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法 Download PDF

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半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法属于热光伏技术领域。检测方法具体为：(1)测量滤波器材料的带隙以下的红外反射光谱；(2)用理论反射率公式拟合实验结果，得到滤波器的实际参数；(3)通过这些参数和理论公式计算其透射率以及吸收率，以全面地检验滤波器的性能；(4)对滤波器材料的生长参数进行筛选优化。本发明具有实质性特点和显著进步，由于薄膜材料是生长在衬底上或者是集成在热光伏器件中，薄膜层的反射率可以直接测量，而其透射率是不能直接测量的，因此本发明解决的主要问题是，既可以得到可靠的薄膜参数，又可以得到不能直接测量的滤波器性质。通过对滤波器性能的全面检测，可以对滤波器材料的生长参数进行筛选优化。

Description

半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种滤波器的检测方法，特别是一种应用于热光伏系统的半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法，属于热光伏技术领域。
背景技术
热光伏发电系统是将热能转换成电能的装置，具有能量密度大、转换效率高等优点，等离子滤波器是热光伏系统中的关键装置之一，可以显著提高系统的能量转换效率。经文献检索发现，T.J.Coutts在《Renewable and Sustainable EnergyReviews》(可再生与可持续能源综述)，第3卷(1999)77-184页报道了传统的透明导电氧化物(一类宽带隙半导体)薄膜材料等离子体滤波器的检测方法，并指出要有效利用等离子体滤波器必须采用高浓度、高迁移率的半导体材料，并且把滤波器集成到整个热光伏器件结构中。这种检测方法是根据实际应用中所需要的滤波器材料的参数，即电子浓度、电子有效质量、薄膜厚度和迁移率，直接计算出滤波器的反射率以及自由载流子吸收。但等离子体滤波器的最主要性能指标不仅是等离子体频率ωp以下的反射率及ωp附近的自由载流子吸收，更重要的是ωp频率以上的透射率性质，因此，该方法不能反映滤波器的透过性能，而且仅仅根据设计的参数来计算的滤波器性能，可靠性不能保证，即设计的参数可能与实际应用中的滤波器材料的参数不符。
发明内容
本发明针对背景技术中半导体薄膜等离子体滤波器检测方法上的不足，提供一种半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法，使其检测方法可靠性更高，且检测方法更全面。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的检测方法具体为：(1)测量滤波器材料的带隙以下的红外反射光谱；(2)用理论反射率公式拟合实验结果，得到滤波器的实际参数；(3)通过这些参数和理论公式计算其透射率以及吸收率，以全面地检验滤波器的性能；(4)对滤波器材料的生长参数进行筛选优化。
以下对本发明作进一步的描述：
①测量滤波器材料的带隙以下的红外反射光谱：
反射光谱的测量采用垂直入射方式，与实际应用时的情况一致。测量的波段为该半导体滤波器材料的带隙以下至中红外或远红外，因为在带隙以下，半导体材料的性质可以用成熟的理论模型来描述。
②用理论模型拟合实验结果，得到滤波器的实际参数：
从基本的Fresnel公式和Drude模型出发，考虑光线在正入射情况下，真空-薄膜界面和薄膜-衬底界面的反射和透射后，推导出薄膜表面的反射率计算公式R和T。通过计算机用公式R对实验结果进行拟合，就可以得到实际的半导体薄膜等离子体滤波器的参数。
③通过实际参数和计算，全面的检验滤波器的性能：
通过步骤2中得到的实际参数，用透射率公式T和已知的带隙附近折射率，可以计算薄膜层的透射率以及吸收率，更全面的检测滤波器性能。由于实际应用中，滤波器材料是集成在光伏电池上的，因此会涉及到不同界面的影响，但计算表明在高载流子浓度时，界面的差别对滤波器性能没有影响。
④滤波器材料生长参数的筛选优化：
根据对滤波器性能的全面检测，按照滤波器的实际使用要求，其中最重要的是滤波器材料的等离子体频率与光伏电池带隙对应，以及反射率、透射率和吸收率综合考虑，确定最优化的滤波器材料生长参数。
由拟合反射光谱得到的滤波器参数为其实际的参数，比直接使用滤波器的设计参数计算滤波器性能更可靠。
通过第二个步骤中得到的实际参数，用透射率公式T和已知的带隙附近折射率，可以计算薄膜层的透射率以及吸收率，更全面的检测滤波器性能。
本发明具有实质性特点和显著进步，由于薄膜材料是生长在衬底上或者是集成在热光伏器件中，薄膜层的反射率可以直接测量，而其透射率是不能直接测量的，因此本发明解决的主要问题是，既可以得到可靠的薄膜参数，又可以得到不能直接测量的滤波器性质。通过对滤波器性能的全面检测，可以对滤波器材料的生长参数进行筛选优化。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下实施例：
等离子体滤波器性能对热光伏系统有重要影响，其关键性能为反射率、透射率、吸收率及透过带宽等，这些性质决定于滤波器材料的载流子浓度、薄膜厚度和迁移率等。以氮化铟(InN)半导体薄膜等离子体滤波器为例，若光伏电池带隙为0.75、0.70和0.65eV，设计所需载流子浓度分别为3.95、3.45和2.95(×1020cm-3)，对应λp分别为1.65、1.77和1.91μm，薄膜厚度d＝0.5～1.0λp和迁移率μ≈100cm2/Vs(在1020cm-3浓度下目前所能达到的迁移率)。采用磁控溅射在一系列不同条件下生长InN薄膜作为滤波器材料。
1.测量这些薄膜的反射光谱，测量波段为400～10000cm-1，在InN带隙对应频率(15300cm-1)以下。
2.通过计算机用公式R对实验结果进行拟合，得到实际的半导体薄膜等离子体滤波器材料的实际参数，即载流子浓度、薄膜厚度和迁移率。
3.通过步骤2中得到的实际参数，用透射率公式T和已知的带隙附近折射率，计算薄膜层的透射率以及吸收率。
4.根据对滤波器性能的全面检测，按照滤波器的实际使用要求，即所选的三个实施例，综合考虑反射率、透射率和吸收率等，确定最优化的滤波器材料生长参数为：衬底温度100℃，溅射气压分别为5、10和15mTorr，其实际参数分别为：n＝3.90×1020cm-3，λp＝1.67μm，d＝2.01μm；n＝3.55×1020cm-3，λp＝1.75μm，d＝1.98μm；n＝2.95×1020cm-3，λp＝1.91μm，d＝1.73μm，既符合设计要求，又具有很好的滤波性能，ωp以下反射率超过85％，ωp与带隙对应频率之间的透射率约80％。

Claims (2)

1、一种半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法，其特征在于检测方法具体为：
(1)测量滤波器材料的带隙以下的红外反射光谱：反射光谱的测量采用垂直入射方式，与实际应用时的情况一致，测量的波段为该半导体滤波器材料的带隙以下至中红外或远红外；
(2)用理论反射率公式拟合实验结果，得到滤波器的实际参数：从基本的Fresnel公式和Drude模型出发，考虑光线在正入射情况下，真空-薄膜界面和薄膜-衬底界面的反射和透射后，推导出薄膜表面的反射率计算公式和透射率计算公式，通过计算机用反射率计算公式对实验结果进行拟合，就可以得到实际的半导体薄膜等离子体滤波器的参数；
(3)通过这些参数和理论公式计算测量滤波器材料透射率以及吸收率，以全面地检验滤波器的性能：通过步骤(2)中得到的实际参数，用透射率计算公式和已知的带隙附近折射率，计算薄膜层的透射率以及吸收率；
(4)对滤波器材料的生长参数进行筛选优化。
2、根据权利要求1所述的这种半导体薄膜等离子体滤波器的检测方法，其特征是，所述的步骤(4)滤波器材料生长参数的筛选优化，具体是指：根据对滤波器性能的全面检测，按照滤波器的实际使用要求，其中滤波器材料的等离子体频率与光伏电池带隙对应，以及反射率、透射率和吸收率综合考虑，确定最优化的滤波器材料生长参数。
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