We present a detailed atomic-scale analysis of the postdeposition treatment of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films with H2 plasmas. The exposure of a-Si:H films to H atoms from a H2 plasma was studied through molecular-dynamics (MD) simulations of repeated impingement of H atoms with incident energies ranging from 0.04to5.0eV. Structural and chemical characterizations of the H-exposed a-Si:H films was carried out through a detailed analysis of the evolution of the films’ Si–Si pair correlation function, Si–Si–Si–Si dihedral angle distribution, structural order parameter, Si–H bond length distributions, as well as film surface composition. The structural evolution of the a-Si:H films upon exposure to H atoms showed that the films crystallize to form nanocrystalline silicon at temperatures over the range of 500773K, i.e., much lower than those required for crystallization due to thermal annealing. The MD simulations revealed that during H exposure of a-Si:H the reactions that occur include surface H adsorption, surface H abstraction, etching of surface silicon hydrides, dangling-bond-mediated dissociation of surface hydrides, surface H sputtering/desorption, diffusion of H into the a-Si:H film, and insertion of H into strained Si–Si bonds.

1.
A.
Shah
,
P.
Torres
,
R.
Tscharner
,
N.
Wyrsch
, and
H.
Keppner
,
Science
285
,
692
(
1999
).
2.
C.
Beneking
,
B.
Rech
,
J.
Foelsch
, and
H.
Wagner
,
Phys. Status Solidi B
194
,
41
(
1996
).
3.
R. A.
Street
,
X. D.
Wu
,
R.
Weisfield
,
S.
Ready
,
R.
Apte
,
M.
Nguyen
, and
P.
Nylen
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
380
,
450
(
1996
).
4.
N.
Layadi
,
P.
Roca i Cabarrocas
,
B.
Drevillon
, and
I.
Solomon
,
Phys. Rev. B
52
,
5136
(
1995
).
5.
K.
Saitoh
,
M.
Kondo
,
M.
Fukawa
,
T.
Nishimiya
,
A.
Matsuda
,
W.
Futako
, and
I.
Shimizu
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
3403
(
1997
).
6.
I.
Kaiser
,
N. H.
Nickel
,
W.
Fuhs
, and
W.
Pilz
,
Phys. Rev. B
58
,
R1718
(
1998
).
7.
A.
Fontcuberta i Morral
,
J.
Bertomeu
, and
P.
Roca i Cabarrocas
,
Mater. Sci. Eng., B
B69
,
559
(
2000
).
8.
C.
Summonte
 et al,
Philos. Mag. B
80
,
459
(
2000
).
9.
E.
Edelberg
,
S.
Bergh
,
R.
Naone
,
M.
Hall
, and
E. S.
Aydil
,
J. Appl. Phys.
81
,
2410
(
1997
).
10.
P.
Roca i Cabarrocas
,
J. Non-Cryst. Solids
266
,
31
(
2000
).
11.
S.
Schuppler
 et al,
Phys. Rev. B
52
,
4910
(
1995
).
12.
J. K.
Holt
,
M.
Swiatek
,
D. G.
Goodwin
,
R. P.
Muller
,
W. A.
Goddard
, and
H. A.
Atwater
,
Solid State Commun.
395
,
29
(
2001
).
13.
F.
Finger
,
P.
Hapke
,
M.
Luysberg
,
R.
Carius
,
H.
Wagner
, and
M.
Scheib
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
2588
(
1994
).
14.
A.
Matsuda
,
J. Non-Cryst. Solids
59/60
,
767
(
1983
).
15.
H.
Shirai
,
J.
Hanna
, and
I.
Shimizu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
30
,
L679
(
1991
).
16.
M.
Otobe
and
S.
Oda
,
J. Non-Cryst. Solids
164–166
,
993
(
1993
).
17.
M.
Otobe
and
S.
Oda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
31
,
L1443
(
1992
).
18.
R. E.
Hollingsworth
and
P. K.
Bhat
,
Appl. Phys. Lett.
64
,
616
(
1994
).
19.
R. W.
Collins
and
B. Y.
Yang
,
J. Vac. Sci. Technol. B
7
,
1155
(
1989
).
20.
P.
Roca i Cabarrocas
,
N.
Layadi
,
B.
Drevillon
, and
I.
Solomon
,
J. Non-Cryst. Solids
198–200
,
871
(
1996
).
21.
M.
Otobe
,
T.
Kanai
,
T.
Ifuku
,
H.
Yajima
, and
S.
Oda
,
J. Non-Cryst. Solids
200
,
875
(
1996
).
22.
S.
Veprek
,
F. A.
Sarott
, and
M.
Ruckschloss
,
J. Non-Cryst. Solids
137
,
733
(
1991
).
23.
P. M.
Voyles
,
J. E.
Gerbi
,
M. M. J.
Treacy
,
J. M.
Gibson
, and
J. R.
Abelson
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5514
(
2001
).
24.
S.
Veprek
,
J. Chem. Phys.
57
,
952
(
1972
).
25.
S.
Veprek
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
164
,
39
(
1990
).
26.
K.
Nomoto
,
Y.
Urano
,
J. L.
Guizot
,
G.
Ganguly
, and
A.
Matsuda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
29
,
L1372
(
1990
).
27.
M.
Katiyar
and
J. R.
Abelson
,
Mater. Sci. Eng., A
304
,
349
(
2001
).
28.
C. C.
Tsai
,
G. B.
Anderson
,
R.
Thompson
, and
B.
Wacker
,
J. Non-Cryst. Solids
114
,
151
(
1989
).
29.
I.
Solomon
,
B.
Drevillon
,
H.
Shirai
, and
N.
Layadi
,
J. Non-Cryst. Solids
164–166
,
989
(
1993
).
30.
J. J.
Boland
and
G. N.
Parsons
,
Science
256
,
1304
(
1992
).
31.
N. H.
Nickel
and
W. B.
Jackson
,
Phys. Rev. B
51
,
4872
(
1995
).
32.
S.
Sriraman
,
S.
Agarwal
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
Nature (London)
418
,
62
(
2002
).
33.
M. S.
Valipa
,
S.
Sriraman
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
J. Appl. Phys.
100
,
053515
(
2006
).
34.
T.
Ohira
,
O.
Ukai
,
T.
Adachi
,
Y.
Takeuchi
, and
M.
Murata
,
Phys. Rev. B
52
,
8283
(
1995
).
35.
T.
Ohira
,
O.
Ukai
,
M.
Noda
,
Y.
Takeuchi
,
M.
Murata
, and
H.
Yoshida
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
408
,
445
(
1996
).
36.
37.
D. C.
Marra
,
W. M. M.
Kessels
,
M. C. M.
van de Sanden
,
K.
Kashefizadeh
, and
E. S.
Aydil
,
Surf. Sci.
530
,
1
(
2003
).
38.
D. C.
Marra
,
E. A.
Edelberg
,
R. L.
Naone
, and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. A
16
,
3199
(
1998
).
39.
E. S.
Aydil
 et al,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
664
,
A1
1
(
2001
).
40.
T.
Bakos
,
M. S.
Valipa
, and
D.
Maroudas
,
J. Chem. Phys.
122
,
054703
(
2005
).
41.
T.
Bakos
and
D.
Maroudas
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
33
,
230
(
2005
).
42.
T.
Bakos
,
M. S.
Valipa
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
Chem. Phys. Lett.
414
,
61
(
2005
).
43.
M. S.
Valipa
,
T.
Bakos
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
216102
(
2005
).
44.
C. G.
Van de Walle
,
P. J. H.
Denteneer
,
Y.
Bar-Yam
, and
S. T.
Pantelides
,
Phys. Rev. B
39
,
10791
(
1989
).
45.
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
49
,
4579
(
1994
).
46.
C. G.
Van de Walle
and
R. A.
Street
,
Phys. Rev. B
49
,
14766
(
1994
).
47.
M. E.
Barone
and
D.
Maroudas
,
J. Comput.-Aided Mater. Des.
4
,
63
(
1997
).
48.
S.
Ramalingam
,
D.
Maroudas
,
E. S.
Aydil
, and
S. P.
Walch
,
Surf. Sci.
418
,
L8
(
1998
).
49.
S.
Agarwal
,
A.
Takano
,
M. C. M.
van de Sanden
,
D.
Maroudas
, and
E. S.
Aydil
,
J. Chem. Phys.
117
,
10805
(
2002
).
50.
J. R.
Abelson
,
J. R.
Doyle
,
L.
Mandrell
,
A. M.
Myers
, and
N.
Maley
,
J. Vac. Sci. Technol. A
8
,
1364
(
1990
).
51.
J. R.
Abelson
,
L.
Mandrell
, and
J. R.
Doyle
,
J. Appl. Phys.
76
,
1856
(
1994
).
52.
S.
Agarwal
,
S.
Sriraman
,
A.
Takano
,
M. C. M.
van de Sanden
,
E. S.
Aydil
, and
D.
Maroudas
,
Surf. Sci.
515
,
L469
(
2002
).
53.
S. M.
Gates
,
C. M.
Greenlief
, and
D. B.
Beach
,
J. Chem. Phys.
93
,
7493
(
1990
).
54.
Y.
Wang
,
M. J.
Bronikowski
, and
R. J.
Hamers
,
Surf. Sci.
311
,
64
(
1994
).
55.
M. S.
Valipa
and
D.
Maroudas
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
261911
(
2005
).
56.
Y. S.
Su
and
S. T.
Pantelides
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
165503
(
2002
).
57.
B.
Tuttle
and
J. B.
Adams
,
Phys. Rev. B
57
,
12859
(
1998
).
58.
S.
Agarwal
,
B.
Hoex
,
M. C. M.
van de Sanden
,
D.
Maroudas
, and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
2719
(
2004
).
You do not currently have access to this content.