Structure of glow discharge amorphous silicon

The structure of hydrogenated amorphous silicon films, 100 A thick, prepared from plasma glow discharge of silane, is investigated by electron microscopy and scanning electron diffraction. Films are prepared at plasma pressures of 0.05 and 0.3 Torr onto NaCl and KBr substrates held at room temperature and at 250 °C. The H content of the films ranges from 20 to 40 at%. The radial distribution function of these films shows a near neighbor correlation distance of (2.375 ± ± 0.05) A (for evaporated films (2.350 ± 0.05) A), and a second neighbor distance of (3.69 ± ± 0.05) A. The Si—Si near neighbor coordination numbers decrease monotonically with increasing H content from 3.55 to 3.25 ± 0.1 (for evaporated Si films it is 4.0 ± 0.1). Atoms-per-unit volume density ratios which include H (ϱa-Si/ϱx-tal Si) of 0.7866, 0.7863, and 0.707 are determined for films containing 20, 25, and 40 at% H. Films prepared at room temperature with 0.3 Torr pressure have an additional small peak at 4.29 A, not found for films at high substrate temperature and low pressure, from which it is concluded that the former films are partially polymeric. Films containing up to 25 at% H show a weak structural modulation at 4.55 A which decreases with decreasing H content, and is not seen for evaporated amorphous Si films and films containing 40 at% H. This peak is associated with a larger number of staggered configurations in the random network. The observed radial correlations with the exception of the aforementioned differences are in general agreement with a tetrahedral random network. Bright field electron microscopy of the high pressure films shows an unhomogeneous microstructure consisting of clusters 1000 A in diameter, with details of the morphology and size depending on the substrate temperature and type. Low pressure films have a homogeneous microstructure. Die Struktur amorpher, hydrierter, 100 A dicker Siliziumfilme wird elektronenmikroskopisch und durch Scanning-Elektronenbeugung untersucht. Filme, die durch Plasma-Glimmentladung bei Plasmadrucken von 0,05 und 0,3 Torr auf NaCl und KBr Substrate bei Raumtemperatur und 250 °C hergestellt wurden, zeigen einen Wasserstoffgehalt von 20 bis 40 At%. Die radiale Verteilungsfunktion zeigt einen Abstand nachster Nachbarn von (2,375 ± 0,05) A (fur aufgedampfte Schichten (2.350 ± 0,05) A) und einen ubernachsten Nachbarabstand von (3,69 ± 0,05) A. Die Si—Si Koordinationszahlen nachster Nachbarn nehmen monoton mit wachsender Wasserstoffkonzentration von 3,55 bis 3,25 ± 0,1 (fur aufgedampfte Schichten 4,0 ± 0,01) ab. Dichteverhaltnisse der Atome pro Einheitsvolumen — Wasserstoff eingeschlossen —, (ϱa-Si/ϱx-talSi), von 0,7866; 0,7863 und 0,707 werden fur Filme mit 20, 25 und 40 At% Wasserstoff bestimmt. Bei Raumtemperatur und 0,3 Torr hergestellte Filme zeigen zusatzlich einen schwach ausgepragtes Maximum bei 4,29 A, das bei Filmen nicht gefunden wird, die bei hoheren Substrattemperaturen und niederen Drucken hegestellt wurden. Daraus wird gefolgert, das die ersteren Filme teilweise polymer sind. Filme die bis zu 25 At% Wasserstoff enthalten zeigen eine schwache strukturelle Modulation bei 4,55 A, die mit sinkendem Wasserstoffgehalt abnimmt und weder bei aufgedampften noch bei Si-Filmen mit 40 At% Wasserstoff beobachtet wird. Dieses Maximum wird mit einer groseren Anzahl von Konfigurationen mit verzerrter Diamantstruktur in der Zufallsverteilung verknupft. Die beobachtete radiale Korrelation — mit Ausnahme der vorher erwahnten Unterschiede — stimmen mit einer Tetraeder-Zufallsverteilung uberein. Elektronenmikroskopische Untersuchungen im Hellfeld der bei hohen Drucken hergestellten Filme zeigen eine inhomogene Mikrostruktur, die aus Clustern von 1000 A Durchmesser besteht. Einzelheiten der Morphologie und Grose dieser Cluster hangen von der Substrattemperatur und Substratart ab. Bei niederen Drucken hergestellte Filme zeigen keine Mikrostruktur.