氢化非晶态硅薄膜的渗氢内耗实验研究

0I:10.13374/j.1ssn1001-053x.1997.05.019 第19卷第5期 北京科技大学学报 Vol.19 No.5 1997年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1997 氢化非晶态硅薄膜的渗氢内耗实验研究 吴平 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要用簧片振动法研究了GDa-Si:H薄膜气织渗氢后的内耗.当测量频率为47.5Hz时，在 -46℃处观察到氢致内耗峰，其激活能为0.30±0.05eV,弛豫时间因子为3.52×10-9s. 关键词内耗，非晶硅，氢致内耗峰 中图分类号TG113.226 用辉光放电法制备的-Si:H薄膜是很有发展前途的太阳能电池材料，它具有光吸收性 强，成本低廉及编制工艺简单等优点.到目前为止，人们对该材料的结构、缺陷仍缺乏统一的 认识.本文用簧片振动法研究了GDa-Si:H薄膜气氛渗氢后的内耗. 1实验方法和样品 图1为实验装置框图.采用静电激发簧片振动法测量内耗，实验装置的背景内耗不大于 10-5量级，装置温度可在-190~100℃范围内变化.实验所用样品为GDa-Si:H膜一不锈钢 簧片复合样品，其典型尺寸为(3~4)cm×0.3cm×0.005cm,基频在数10z量级.样品的制 备：不锈钢衬底经过一定热处理工艺，使其在测量温度范围内，内耗变化平坦，对应基频的内 耗值为4×10-4；然后用辉光放电法在不锈钢衬底上沉积0.8μm厚的a-Si:H薄膜，沉积条件是 6=280℃，RF功率约6W,负自偏压270V.沉积膜的非晶性由X光衍射验证， 整流对数 放大器 X-Y记录仪 控温测温系统 样品室 调频检测器 示波器 真空系统 频率计 音频信号发生器 图1实验装置方框图 复合样品经过不高于360℃的退火处理后，使其内耗曲线平坦.复合样品在样品室内完 成气氛渗氢.实验测量了复合样品经不同渗氢条件渗氢后的内耗， 测量内耗时，样品室压力保持在0.001Pa(绝对压力)以下，测量温度间隔约为5℃，温度 变化速率约0.7℃/min. 1997-03-04收稿 第一作者女34岁副教授硕士

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 旋 《 氢化非 晶态硅薄膜 的渗氢 内耗实验研究 吴 平 北 京科技大学应用 科学学院 ， 北京 摘 要 用 簧片 振 动 法 研 究 了 薄膜 气 氛 渗氢后 的 内耗 当测 量 频 率 为 时 ， 在 一 ℃ 处观察到 氢致 内耗峰 ， 其激活能为 士 ， 弛豫时间因子为 ’ 关键词 内耗 ， 非晶硅 ， 氢致 内耗峰 中图分类号 用 辉光 放 电法 制 备 的 一 薄膜 是 很 有 发 展 前 途 的太 阳能 电池 材 料 ， 它 具 有 光 吸 收性 强 ， 成 本 低 廉 及 编 制 工 艺 简单 等 优 点 到 目前 为 止 ， 人们 对该材料 的结 构 、 缺 陷仍缺乏 统 一 的 认识 本文 用簧片振 动法研究 了 一 薄膜 气氛渗氢后 的 内耗 实验方法和样品 图 为实验装置 框 图 采 用静 电激 发 簧片振 动 法 测量 内耗 ， 实验 装置 的背景 内耗 不 大 于 “ ’量 级 ， 装置 温 度 可 在 一 一 ℃ 范 围 内变化 实验所 用样 品为 膜一不 锈钢 簧 片 复合样 品 ， 其 典 型 尺 寸 为 一 ， 基 频 在 数 量 级 样 品 的 制 备 不 锈 钢衬底 经过 一 定热处理 工 艺 ， 使其在 测 量 温 度 范 围 内 ， 内耗 变 化平 坦 ， 对应 基 频 的 内 耗值为 ’ 然后 用辉光 放 电法 在不锈钢衬底 上沉积 “ 厚 的 一 薄膜 ， 沉积条件是 ℃ ， 功 率 约 ， 负 自偏 压 沉积膜 的非晶性 由 光衍 射验证 整流 对数 放 大 器 · 一 记 录仪 控温测温系统 示 波 器 · 频 率 计 音频信号发生器 图 实验装置方框图 复合样 品经过 不 高于 ℃ 的退 火处理 后 ， 使 其 内耗 曲线 平 坦 复 合样 品在 样 品室 内完 成 气氛渗氢 实验测量 了复合样 品经不 同渗氢条件 渗氢后 的 内耗 测 量 内耗 时 ， 样 品室 压 力 保 持 在 绝 对压 力 以 下 ， 测 量 温 度 间 隔 约 为 ℃ ， 温度 变化 速 率约 ℃ 一 一 收稿 第一 作者 女 岁 副教授 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．05．019

·506· 北京科技大学学报 1997年第5期 GDa-Si:H薄膜的内耗值Q为"： 2'=A·(g1-Q) 其中，Q1和Q,分别为实验测得的复合样品和不锈钢衬底的内耗；A为量纲为1的常数. A=3(1/0[(1-v,)·E]/[(1-y)·E] 式中，d为不锈钢衬底厚度，1为薄膜厚度，E,和E分别为不锈钢衬底和薄膜的杨氏模量，”， 和v,分别为不锈钢衬底和薄膜的泊松比.目前还缺乏GDa-Si:H膜的杨氏模量和泊松比的 实验数据.借用晶体硅及离子注入a-Si层的参数估算出A=38.5. 2实验结果 首先测量了不锈钢衬底在与复合样品同样的渗氢条件下渗氢后的内耗，实验表明，内耗 值基本不变，可排除不锈钢衬底对复合样品测量的影响， 复合样品的内耗测量表明，对每片复合样品进行渗氢处理后，其内耗曲线在数10Hz, -60~一40℃区间均有一个尖锐的内耗峰，峰的半高宽约11~13℃，而内耗背景则基本不变. 2.1渗氢时间与内耗峰高、峰温的关系 图2是试验所用样品的1组内耗实验曲线.由图可见在100℃气氛渗氢，其他条件依次为 (14kPa,2h),(14kPa,8h),(20kPa,34h),测量频率为55H业时，在-30~-60℃区间均有明显 内耗峰.峰很窄，半高宽约13℃；随 0.05 渗氢时间增加，内耗峰长高，说明此 0 0.04 峰是由渗人样品的氢所致；在内耗峰 变高的同时，峰温向低温方向移动， 0.0 2.2内耗峰的饱和 实验中发现，在一定压力及一定 0.0 温度下，进行足够长时间渗氢后，氢 0.0 致内耗峰的峰高不再变化；继续渗 3.8 4.0 4.24.44.6 4.85.0 氢，峰高、峰温基本保持不变，说明样 (1000//K-1 品中溶解的氢已达到饱和.氢致内耗 图2a-S:H薄膜经过不同渗氢时间渗氢后的升温内耗曲线 峰的饱和峰高与渗氢压力、测量频率有关.表】是90~100℃渗氢下饱和氢致峰的实验数 据，对这些数据进行回归处理，得到数据关联式： h=0.07754fp19 其中，h为内耗峰高，p为氢气氛压力(kPa),f为测量频率(Hz). 2.3变频测量 本实验做了复合样品在40kP,100℃渗氢条件下达到饱和状态后的变频内耗测量.在 47.5Hz,60.0Hz,74.0Hz及103.5Hz测量时，发现确有测量频率增加，内耗峰峰温T,向高温 侧移动的现象，测量结果具有重现性.图3是实验数据的ln(1/w)一1000/T,图，实验点落

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 薄膜 的 内耗值 为 ’ · 一 ’ 一 ’ 其 中 ， 一 ’ 和 ’ 分别 为实验测得 的复合样 品和 不 锈钢 衬底 的 内耗 为量 纲 为 的常数 一 一 。 · 一 · 式 中 ， 为 不 锈 钢 衬底 厚 度 ， 为薄膜 厚 度 ， 、 和 乓 分 别 为不 锈 钢 衬 底 和 薄膜 的杨 氏模 量 ， 和 、 分 别 为不 锈 钢 衬底 和 薄膜 的泊松 比 目前 还 缺 乏 一 膜 的杨 氏模 量 和 泊 松 比 的 实验 数据 借用 晶体硅 及 离子 注人 一 层 的参数估算 出 二 实验结果 首 先 测 量 了不 锈钢衬底在 与复 合样 品 同样 的渗氢条件下 渗氢后 的 内耗 实验 表 明 ， 内耗 值基本不 变 ， 可排 除不 锈钢 衬底 对复合样 品测量 的影 响 复 合样 品 的 内耗 测 量 表 明 ， 对每 片 复 合 样 品 进 行 渗氢 处理 后 ， 其 内耗 曲线 在 数 比 ， 一 一 一 ℃ 区 间均有 一个尖锐 的 内耗峰 ， 峰 的半 高宽约 一 ℃ ， 而 内耗背景则 基本不 变 渗氢 时 间与内耗峰高 、 峰温的关 系 图 是 试 验 所 用 样 品 的 组 内耗 实验 曲线 由图可 见在 ℃ 气氛 渗氢 ， 其他 条件依次为 ， ， ， ， ， ， 测 量频 率为 时 ， 在 一 一 ℃ 区 间均有 明显 ‘ ‘门‘﹄闷 口 … 内耗 峰 峰 很 窄 ︺ ， 半 高 宽 约 ℃ 随 渗氢 时 间 增 加 ， 内耗 峰 长 高 ， 说 明 此 峰是 由渗人样 品 的氢所 致 在 内耗峰 变 高 的 同 时 ， 峰 温 向低 温 方 向移 动 内耗峰的饱和 实验 中发现 ， 在 一定 压 力及 一 定 温 度 下 ， 进 行 足 够 长 时 间 渗氢 后 ， 氢 致 内耗 峰 的 峰 高 不 再 变 化 继 续 渗 氢 ， 峰高 、 峰温 基 本保持不 变 ， 说 明样 品 中溶解 的氢 已 达 到饱 和 氢致 内耗 公 。 ， 仪 八 刀 ‘ 一 ‘ 图 一 薄膜经过不 同渗氮 时间渗氢后 的升温 内耗 曲线 峰 的 饱 和 峰 高 与 渗 氢 压 力 、 测 量 频 率 有 关 表 是 一 ℃ 渗 氢 下 饱 和 氢 致 峰 的 实 验 数 据 ， 对这些 数据进行 回 归处理 ， 得 到数据 关联式 · 一 ” 加 ’ ” 其 中 ， 为 内耗 峰高 ， 为氢气氛压 力 ， 为测量 频率 比 变频测 量 本 实验做 了 复合 样 品 在 ， ℃ 渗氢条 件 下 达 到 饱 和 状 态后 的变 频 内耗 测 量 在 比 ， 比 ， 比 及 测 量 时 ， 发现 确有 测 量 频率增 加 ， 内耗 峰峰温 不向高温 侧 移 动 的现 象 ， 测 量 结 果 具 有 重 现性 图 是 实 验 数 据 的 。 。 一 兀图 ， 实验 点落

Vol.19 No.5 吴平：氢化非晶态硅薄膜的渗氢内耗实验研究 ·507· 在一条直线上，回归得到1n(1/w,)=-21.23+3.52×1000/T,由此求得氢致峰激活能为 2H=0.30±0.05eV,tow=3.79×10-s.但是氢致内耗峰的宽度仅为单个Debye峰宽的 1/4~3/10,所以该氢致内耗峰是否为热激活弛豫峰还需进一步的研究. 扣除背景内耗后将氢致内耗峰按Q'一1000/T,作图，发现它是对称峰 -5.5 表190~100℃渗氢饱和氢致峰的实验数据 渗氢压力P/kPa测时频率fIHz饱和氢致峰高度h -5.7 20.4 56.3 0.0293 5.9 27.4 47.5 0.0477 40.5 103.5 0.0320 三-6.1 40.5 60.0 0.0628 -6.3 40.5 74.0 0.0477 -6.51 4.1 4.2 4.34.4 4.5 2.4在氢致内耗峰附近进行连续升、降温测量 (I000/T)MK- 图3饱和氢致峰Ln(1/w)~1000/1p图 试验样品在30kPa,90℃渗氢饱和后，将 样品室在充满氢气的状态下迅速冷却到 /约47.5Hz 0.08 -170℃左右，再抽真空至0.001Pa,进行升温 测量.在测量频率为47.5z时，在-60~ 0.06 -40℃之间有明显氢致峰出现，峰温-46℃.， 当温度升至低于10℃时，再接着进行降温测⊙ 量，氢致峰不出现，降温过程之后再接着进行 0.04 升温测量，氢致峰也不出现.但在室温放置 0.02 1~2d后，升温测量时，氢致峰又出现了，只 -80 -60 -40 -20 是峰高比第1次升温测量时略微低些，从气 1/C 氛渗氢状态缓慢降温，降温速率约图4复合样品在氢致内耗峰附近连续升，降温测量 0.7℃/mi,测量发现氢致峰出现，峰高与随及时效测量内耗曲线(1：30kPa,90℃，30h渗氢后 后进行的升湿测量过程的商度相当图4是体量到悉蔬案后效西 复合样品在氢致峰附近连续升，降温测量和33后升温测量) 时效测量的Q'一1（℃）图. 3讨论 非晶态硅是四面体配位的半导体材料，其中包含有共价键原子.共价键具有方向性和饱 和性，这决定了非晶态硅结构方面的重要特性：长程无序，短程有序，即在约1m左右的范围 内，近邻或次近邻的原子排列是有序的（配位数、原子间距、键角、键长等参数），较远原子键角 和键长可能变化，形成无规则网络，文献[2]从拓扑学的角度提出了在连续无规则网络模型的 正当约束范围（键角畸变20°左右）内可能的3种缺陷模型：孤立悬键模型、双空位模型、含有 多个悬键的缺陷模型.有报道（北京有色金属总院资料，1984），有人曾用多种检测技术手段直

吴 平 氢化非 晶态硅薄膜 的渗氢 内耗 实验研究 在一条直线上 ， 回归得 到 。 一 矜 由此求 得 氢致 峰激 活能 为 。 士 ， 。 二 一 ’ 但 是 氢 致 内 耗 峰 的 宽 度 仅 为 单 个 块 峰 宽 的 一 ， 所 以 该氢致 内耗 峰是 否 为热激 活弛豫 峰还需 进 一步 的研究 扣 除背景 内耗后将 氢致 内耗峰按 ’一 作 图 ， 发现 它 是 对称 峰 · 一 表 一 ℃ 渗氢饱和氮致峰的实验数据 渗氢压力 测 时频率 比 饱和 氢致峰高度 一 ︸气乙 ， 一 一︵、︶‘ 一 一 在氢致 内耗峰附近进行连续升 、 降温测量 耳 一 ’ 图 饱和氮致峰 。 。 一 助 图 试 验样 品在 ， ℃ 渗氢饱和 后 ， 将 样 品 室 在 充 满 氢 气 的 状 态 下 迅 速 冷 却 到 一 ℃ 左 右 ， 再抽 真 空 至 ， 进行 升温 测 量 在 测 量 频 率 为 时 ， 在 一 一 一 ℃ 之 间有 明显氢致峰 出现 ， 峰温 一 ℃ 当温 度 升至低 于 ℃ 时 ， 再接 着进行 降温 测 量 ， 氢致 峰不 出现 ， 降温过 程 之后 再接着进行 升 温 测 量 ， 氢 致 峰 也 不 出 现 但 在 室 温 放 置 一 后 ， 升 温 测 量 时 ， 氢 致 峰 又 出现 了 ， 只 是 峰 高 比第 次 升 温 测 量 时 略微 低 些 从 气 氛 渗 氢 状 态 缓 慢 降 温 ， 降 温 速 率 约 ℃ ， 测 量 发 现 氢 致 峰 出 现 ， 峰 高 与 随 后 进 行 的 升 温 测 量 过 程 的 高度 相 当 图 是 复 合 样 品 在 氢 致 峰 附 近 连 续 升 、 降温 测 量 和 时效测 量 的 一 ’一 ℃ 图 。 卜 约 一 一 目 一 一 一 ℃ 图 复合样 品在氢致 内耗峰 附近连续升 、 降温测量 及时效测量 内耗 曲线 ， ℃ ， 渗氢后 升温 测量 ， 紧接 “ ” 后 降温测量 ， 紧接 “ ” 后 降温测量 ， ， ℃ ， 渗氢后 室温时效 后升温测量 讨论 非 晶态 硅 是 四 面 体配 位 的半 导体材 料 ， 其 中包 含有 共 价 键 原子 共 价 键具 有 方 向性 和 饱 和性 ， 这决定 了非 晶态硅 结 构方 面 的重要 特 性 长程 无序 ， 短 程有 序 ， 即 在 约 左右 的范围 内 ， 近邻或次近邻 的原 子 排列是 有序 的 配位数 、 原子 间距 、 键角 、 键 长等参数 ， 较 远 原子 键角 和 键 长可 能变 化 ， 形 成 无规则 网络 文献 【 从拓 扑 学 的角度提 出 了在 连续 无规则 网络模 型 的 正 当约束范 围 键角 畸变 “ 左 右 内可 能 的 种 缺 陷模 型 孤 立 悬 键模 型 、 双 空 位模型 、 含有 多个悬 键 的缺 陷模 型 有报道 北 京有 色金 属 总 院资料 ， ， 有 人 曾用多 种检 测技 术手段 直

·508· 北京科技大学学报 1997年第5期 接观测了a-Si:H膜的结构特性与Si-H键合形态间的 关系.初步研究结果显示a-Si:H的结构和组分是不均 匀的，能够直接观察到薄膜垂直方向的“柱状形貌”，并 有微孔结构，微孔尺度和浓度依赖于沉积条件.研究者 认为a-Si:H薄膜中主要缺陷态的结构起源是空穴，空 穴是随耦合的SiH而产生的，空穴的生长方向与薄膜 表面相垂直，其形态可能极不对称.图5是他们提出的 结构缺陷模式.在用质子共振对a-Si:H研究时，发现所 有的薄膜都具有两相组分的不均匀性.所有含有两相 图5a-Si:H薄膜的结构缺陷模式 的薄膜，两相中氢含量是不同的，高浓度相包含全部的 1:悬挂键，2：(SiH2)n链，3：SiH 聚氢化物及若干一氢化物，稀相仅是一氢化物，氢含量 仅是2%~4%，与材料的总氢含量无关.稀相中的一氢化物仅有一部分是原子态弥散，其余 呈聚集态，研究者认为稀相代表颗粒或棒状物构成的体区，高浓度相填充在晶粒空间，制备条 件强烈地影响高浓度相的数量及氢键合形态，笔者在前期研究工作)中，也从内耗的角度提 出GDa-Si:H薄膜的主要结构缺陷模式是单空位、双空位、复合缺陷，线缺陷和晶界， 本实验样品是在t,=280℃，低RF功率及衬底有偏压的条件下制备的，硅与氢的键合形 态主要是SH,二氢化物仅为痕量，材料比较均匀，较少微孔.在进行渗氢处理前对实验样品 进行了不高于360℃的热处理，该热处理可以有效地消除薄膜中的缺陷，使薄膜处于一个能 量较低的亚稳态，在内耗上表现为样品具有平坦的内耗曲线， 气氛渗氢时渗入的氢是分子态，理由有：(1)渗氢温度低(~100℃)，不能使氢气离化. (2)-Si:H薄膜中的共价键结合不足以使H一H键断开.氢致内耗峰的出现，表明薄膜中有双 空位尺度或大于双空位尺度的微孔存在 360℃退火后，-Si:H薄膜中可能仍然有双空位尺度的缺陷.另外，360℃的退火会使膜 中二氢化物的氢逸出，遗留下缺陷或微孔.这些缺陷的存在，使得氢分子较易扩散进膜中，在 应力作用下产生氢致内耗峰.由于-Si:H缺陷模式较多，其中双空位，多悬键空位，以及晶粒 间界等缺陷的儿何尺寸都可容纳下氢分子，这些缺陷可能具有不同形态，还不能够断定氢分 子占据了哪一种位置. 氢致内耗峰随测量频率升高峰温向高温侧移动，表现出其具有热激活弛豫峰的特性，但 峰高又仅有标准Debye峰宽的1/4~3/10，可以认为，氢致内耗峰不完全是弛豫的成分，其中 也可能含有相变的成分. 根据实验现象，假设气氛渗氢渗入a-Si:H薄膜中的氢可以有2种存在状态：1种状态（以 P标记)对氢致内耗峰有贡献；另1种状态（以D标记）对氢致内耗峰无贡献.这2种状态相互 转化的条件是，P态转化成D态应满足：(1)P态进行导致氢致内耗峰的运动并达到一定规模； (2)样品温度高于氢致峰峰温并低于室温.D态转化成P态的条件是：(1)样品温度高于室温； (2)可能需要一定时间进行转换. 根据以上假设，可以初步解释氢致内耗峰的实验现象，100℃左右渗氢时溶解的氢以P态 存在，迅速降温（十几min内由100℃降至-190℃左右）将P态冻结保留下来；在随后的升温 测量过程中，在适当的温度（测量频率约60Hz时，内耗峰在-60~-40℃区间），P态的氢的 运动导致了氢致内耗峰，在氢致内耗峰达到最大值后，P态的氢迅速转化为D态，在实验上表

· · 北 京 科 技 大 学 接观 测 了 一 膜 的结 构 特 性 与 一 键 合形 态 间 的 关系 初 步 研 究 结果 显示 一 的结 构 和 组 分 是 不 均 匀 的 ， 能够 直接观 察到 薄膜 垂 直方 向的 “ 柱状形 貌 ” ， 并 有微 孔结 构 ， 微 孔 尺 度 和浓 度依赖于 沉 积条件 研究者 认 为 一 薄 膜 中主要 缺 陷态 的结 构起 源 是 空 穴 ， 空 穴是 随藕 合 的 而 产 生 的 ， 空 穴 的生 长方 向与薄膜 表 面相 垂 直 ， 其形 态可 能极 不 对称 图 是他们提 出的 结构缺 陷模 式 在 用 质 子共 振 对 一 研究 时 ， 发 现所 有 的薄膜 都具 有 两 相 组 分 的不 均 匀 性 所 有 含 有 两相 的薄膜 ， 两相 中氢含量是 不 同的 ， 高浓度相 包含全部 的 聚氢化物及 若 干一 氢化 物 ， 稀相仅是 一 氢化物 ， 氢含量 学 报 年 第 期 图 一 薄膜的结构缺陷模式 悬挂键 ， 。 链 ， 仅是 一 ， 与材 料 的总氢含 量 无 关 稀 相 中的一 氢化 物仅有 一 部分是 原 子 态 弥散 ， 其余 呈 聚集 态 研究 者 认 为稀相 代表颗粒 或棒状物构成 的体 区 ， 高浓度相 填 充 在 晶粒 空 间 ， 制 备条 件强 烈 地 影 响 高浓 度相 的数量 及 氢键合形 态 笔者在 前 期研 究 工 作 中 ， 也 从 内耗 的 角度 提 出 一 薄膜 的主要 结构缺 陷模 式是 单空 位 、 双空 位 、 复合缺 陷 、 线缺 陷和 晶界 本 实验样 品是 在 、 ℃ ， 低 功率及 衬底 有偏压 的条件 下 制备 的 ， 硅 与氢 的键合形 态 主要 是 ， 二 氢化 物 仅 为痕 量 ， 材 料 比较 均 匀 ， 较 少 微 孔 在 进 行 渗 氢处理 前 对实 验 样 品 进 行 了不 高 于 ℃ 的热处 理 ， 该 热处 理 可 以 有 效 地 消 除薄膜 中的缺 陷 ， 使 薄膜 处 于 一 个 能 量 较低 的亚稳 态 ， 在 内耗上 表现 为样 品具 有 平坦 的 内耗 曲线’ 气氛 渗 氢 时 渗人 的 氢是 分 子 态 ， 理 由有 渗氢 温 度 低 一 ℃ ， 不 能 使 氢 气 离 化 一 薄膜 中的共价 键结合不 足 以 使 一 键 断开 氢致 内耗 峰 的 出现 ， 表 明薄膜 中有 双 空 位 尺 度 或 大 于 双 空位 尺 度 的微 孔 存在 ℃ 退 火 后 ， 一 薄膜 中可 能仍然 有 双 空 位 尺 度 的缺 陷 另 外 ， ℃ 的退 火 会使膜 中二 氢化物 的氢逸 出 ， 遗 留下 缺 陷或微 孔 这 些 缺 陷的存在 ， 使得 氢分 子 较 易 扩 散进 膜 中 ， 在 应 力 作 用 下 产 生 氢致 内耗 峰 由于 一 缺 陷模 式 较 多 ， 其 中双 空 位 、 多 悬 键 空 位 ， 以 及 晶粒 间界 等 缺 陷 的几 何 尺 寸 都 可 容 纳 下 氢 分 子 ， 这 些 缺 陷 可 能具 有 不 同形 态 ， 还 不 能够 断定 氢分 子 占据 了哪 一 种位置 氢致 内耗 峰 随测 量 频 率 升 高 峰 温 向高 温 侧 移 动 ， 表 现 出其具 有 热激 活 弛 豫 峰 的特性 ， 但 峰 高又 仅 有 标 准 块 峰 宽 的 一 ， 可 以 认 为 ， 氢致 内耗 峰不 完全是 弛 豫 的成分 ， 其 中 也可 能含 有相 变 的成分 根 据 实验 现 象 ， 假 设 气氛渗氢渗人 一 薄膜 中的氢可 以 有 种存 在状 态 种状 态 以 标记 对氢致 内耗 峰有贡 献 另 种状 态 以 标 记 对氢致 内耗 峰无 贡 献 这 种状 态相 互 转化 的条 件是 ， 态 转 化 成 态应 满足 态进行 导致 氢致 内耗 峰 的运 动并 达到 一 定规模 样 品温度 高于 氢致峰 峰温 并低 于 室 温 态转化成 态 的条件 是 样 品温 度 高 于 室温 可 能需 要 一 定 时 间进行 转换 根据 以 上 假设 ， 可 以 初步解 释 氢致 内耗 峰 的实验 现象 ℃ 左右 渗氢 时溶解 的氢 以 态 存在 ， 迅 速 降温 十几 内 由 ℃ 降至 一 ℃ 左右 将 态冻结 保 留下来 在 随后 的升温 测量 过 程 中 ， 在 适 当的温 度 测 量 频 率 约 时 ， 内耗 峰在 一 一 一 ℃ 区 间 ， 态 的氢 的 运 动 导致 了氢致 内耗峰 ， 在 氢致 内耗 峰 达到最 大值 后 ， 态 的氢迅 速 转化 为 态 ， 在 实验 上 表

Vol.19 No.5 吴平：氢化非晶态硅薄膜的渗氢内耗实验研究 ·509· 现为氢致内耗峰达到最大值后迅速下降从而导致氢致内耗峰较窄，在室温以下这个转变过程 便可完成.因此当升温过程达到10℃左右开始降温测量以及随后的升温测量时，溶解的氢都 以D态存在，对氢致内耗峰无贡献，而使氢致内耗峰不出现.在室温以上的温度放置足够长的 时间后，D状态绝大部分又转变为P态，并留有残余的D态，这样经迅速降温后再升温测量， 氢致内耗峰又出现了，并比时效前略低， 当样品从气氛渗氢状态缓慢降温（从100℃降至-140℃约4h),虽然样品有一段时间处 于低于室温并高于氢致内耗峰峰温的温度区间，由于P态进行导致氢致内耗峰的运动未达到 一定规模，不满足P→D转变的第1个条件，P态没有可观的部分转变为D态；当P态的导致氢 致内耗峰的运动达到一定规模时（如达到氢致内耗峰最大值处），因是降温过程，温度又低于 氢致内耗蜂峰温，不满足P→D的第2个条件，温度下降抑制了P态向D态的转变；这样降温 过程结束后，溶解的氢仍以P态存在，在随后的升温测量中，氢致内耗峰会又出现，且峰的高 度基本不变；当温度超过氢致内耗峰峰温时，P态才向D态转变 氢致内耗峰的性质，P态和D态的实质，P态如何运动产生氢致内耗峰，饱和峰高与测量 频率、渗氢压力的关系等问题还有待于进一步的研究，解决这些问题不仅需要更多的内耗实 验数据，还需要与其他实验方法手段结合起来， 4结论 对GDa-Si:H薄膜进行气氛渗氢，在47.5Hz测量频，-60~-40℃温度范围，发现一氢 致内耗峰，其激活能为0.30εV,弛豫时间因子为3.79×10ˉ9s;随测量频率升高，内耗峰温向 高温侧移动，但内耗峰的宽度仅为单个Debye峰宽的1/4~310. 参考文献 1 Berry B S.Pritchet W C.Defect Studies of the Layers by the Vibrating Reed Techique.J de Physique,1981,42:c5 2 Bordsky M H.非晶态半导体.朱琼瑞译.北京：国防工业出版社，1985 3吴平，杨国平.GDa-Si:H薄膜的内耗及结构缺陷.唐山工程技术学院学报，1993,15(4)：77 Experimental Study of Internal Friction of a-Si:H Films Charged with Hydrogen Wu Ping Applied Science School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The internal friction of GD a-Si:H films charged with hydrogen in hydrogen atmosphere were measured by reed vibrating method.As a result,hydrogen related peak appears at 47.5Hz and -46C with activation energy (0.30+0.05)ev and relaxation time 3.52 x 10s.Further research is needed to make the nature clear. KEY WORDS internal friction,amorphous silicon,hydrogen related peak

仓 昊平 氢化非 晶态硅薄膜 的渗氢 内耗实验研究 现 为氢致 内耗 峰达到 最 大值后 迅 速下 降从而 导致 氢致 内耗 峰较 窄 ， 在 室 温 以 下 这 个转变过 程 便 可 完成 因此 当升 温 过程 达到 ℃ 左右 开 始 降温 测 量 以 及 随后 的 升温 测 量 时 ， 溶 解 的氢都 以 态存在 ， 对氢致 内耗峰无贡 献 ， 而使氢致 内耗 峰不 出现 在 室 温 以 上 的温度 放置足够 长 的 时 间后 ， 状 态绝 大部分 又 转 变 为 态 ， 并 留有 残余的 态 ， 这样 经迅 速 降温后 再 升温 测量 ， 氢致 内耗峰又 出现 了 ， 并 比时效前 略低 当样 品从气氛渗氢状态缓慢 降温 从 ℃ 降至 一 ℃ 约 ， 虽 然样 品有 一段 时间处 于低 于 室 温并 高于 氢致 内耗峰峰温 的温度 区 间 ， 由于 态进行 导致 氢致 内耗 峰 的运 动未 达到 一定规模 ， 不 满足 、 转变 的第 个条件 ， 态没有 可观 的部分转变 为 态 当 态 的 导致 氢 致 内耗 峰 的运 动 达 到 一定规模 时 如达到 氢致 内耗 峰最 大值处 ， 因是 降温 过 程 ， 温 度 又 低 于 氢致 内耗 峰峰温 ， 不 满足 一 的第 个条件 ， 温度 下 降抑制 了 态 向 态 的转变 这 样 降温 过 程 结束 后 ， 溶解 的氢仍 以 态存 在 ， 在 随后 的 升温 测 量 中 ， 氢致 内耗 峰 会又 出现 ， 且 峰 的高 度 基 本不 变 当温度超 过 氢致 内耗峰峰温 时 ， 态才 向 态转变 氢致 内耗 峰 的性 质 ， 态 和 态 的实质 ， 态如何运 动 产生 氢致 内耗峰 ， 饱和 峰高与测 量 频率 、 渗氢 压 力 的 关 系等 问题还 有待于 进 一步 的研究 解 决这些 问题 不 仅需 要 更 多 的 内耗 实 验数据 ， 还需 要 与其他 实验方法 手段结合起来 结论 对 薄膜 进 行 气氛渗氢 ， 在 比 测 量 频 ， 一 一 一 ℃ 温 度 范围 ， 发 现 一 氢 致 内耗 峰 ， 其激 活能 为 ， 弛豫 时 间 因子 为 ’ 随测 量 频 率 升高 ， 内耗 峰温 向 高温 侧移 动 ， 但 内耗峰的宽度仅为单个 氏 峰宽的 一 参 考 文 献 卿 块 拓 抑 ， ， 非晶态半 导体 朱琼瑞译 北京 国 防工 业 出版社 ， 吴 平 ， 杨 国平 一 薄膜 的 内耗及结构缺陷 唐 山工程技术学 院学报 ， ， 一 环公 尸 刀 ， ， ， 一 ， 比 一 电 士 一 ，