1307
Detailed Contents
List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
4
6
8
9
10
12
14
14
Part A Fundamental Properties
2 Electrical Conduction in Metals and Semiconductors
Safa Kasap, Cyril Koughia, Harry Ruda, Robert Johanson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Fundamentals: Drift Velocity, Mobility and Conductivity . . . . . . . . . . . . .
2.2
Matthiessen’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Resistivity of Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 General Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Fermi Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4
Solid Solutions and Nordheim’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5
Carrier Scattering in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6
The Boltzmann Transport Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7
Resistivity of Thin Polycrystalline Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8
Inhomogeneous Media. Effective Media Approximation . . . . . . . . . . . . . .
2.9
The Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 High Electric Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11 Avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12 Two-Dimensional Electron Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.13 One Dimensional Conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.14 The Quantum Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
20
22
23
23
25
26
28
29
30
32
35
37
38
39
41
42
44
Detailed Cont.
1 Perspectives on Electronic and Optoelectronic Materials
Tim Smeeton, Colin Humphreys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
The Early Years . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
The Silicon Age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 The Transistor
and Early Semiconductor Materials Development . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 The Integrated Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3
The Compound Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 High Speed Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Light Emitting Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3 The III-Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4
From Faraday to Today . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XXIX
1308
Detailed Contents
3 Optical Properties of Electronic Materials:
Fundamentals and Characterization
Detailed Cont.
Safa Kasap, Cyril Koughia, Jai Singh, Harry Ruda, Stephen K. O’Leary . . . . . .
3.1
Optical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Refractive Index and Extinction Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Kramers–Kronig Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2
Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Cauchy Dispersion Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Sellmeier Dispersion Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Gladstone–Dale Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4 Wemple–Di Dominico Dispersion Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5 Group Index (N ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Optical Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Lattice or Reststrahlen Absorption and Infrared
Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Free Carrier Absorption (FCA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Band-to-Band or Fundamental Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Exciton Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 Impurity Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.6 Effects of External Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4
Thin Film Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Swanepoel’s Analysis of Optical Transmission Spectra . . . . . . . .
3.4.2 Ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5
Optical Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 Abbe Number or Constringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 Optical Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3 Optical Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Magnetic Properties of Electronic Materials
Charbel Tannous, Jacek Gieraltowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Traditional Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Fundamental Magnetic Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 The Hysteresis Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Intrinsic Magnetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Traditional Types of Magnetism
and Classes of Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Unconventional Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Conventional and Unconventional Types of Exchange
and Coupling in Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Engineering and Growth of Thin Magnetic Films . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Electronic Properties: Localized, Free and Itinerant
Magnetism and Spin-Polarised Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Prospects for Spintronics and Quantum
Information Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
47
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93
93
94
95
98
99
Detailed Contents
6 Diffusion in Semiconductors
Derek Shaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1
Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2
Diffusion Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Vacancy and Interstitial Diffusion Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 The Interstitial–Substitutional Mechanism:
Dissociative and Kick-Out Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.3 The Percolation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3
Diffusion Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Chemical Equilibrium:
Self- and Isoconcentration Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2 Chemical Diffusion
(or Diffusion Under Nonequilibrium Conditions) . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.3 Recombination-Enhanced Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.4 Surface Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.5 Short Circuit Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4
Internal Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5
Measurement of Diffusion Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 Anneal Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 Diffusion Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 Profiling Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.4 Calculating the Diffusion Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6
Hydrogen in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7
Diffusion in Group IV Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.1 Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.2 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.3 Si1−x Gex Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.4 Silicon Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8
Diffusion in III–V Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.1 Self-Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.2 Dopant Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.3 Compositional Interdiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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104
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125
125
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128
128
128
129
129
130
130
130
131
Detailed Cont.
5 Defects in Monocrystalline Silicon
Wilfried von Ammon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1
Technological Impact of Intrinsic Point Defects Aggregates . . . . . . . . . . .
5.2
Thermophysical Properties of Intrinsic Point Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3
Aggregates of Intrinsic Point Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Experimental Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Theoretical Model: Incorporation of Intrinsic
Point Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3 Theoretical Model: Aggregation of Intrinsic
Point Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.4 Effect of Impurities on Intrinsic Point Defect
Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
Formation of OSF Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1309
1310
Detailed Contents
6.9
Detailed Cont.
Diffusion in II–VI Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.1 Self-Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.2 Chemical Self-Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.3 Dopant Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.4 Compositional Interdiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.11 General Reading and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
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132
132
133
133
133
7 Photoconductivity in Materials Research
Monica Brinza, Jan Willekens, Mohammed L. Benkhedir,
Guy J. Adriaenssens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1
Steady State Photoconductivity Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.1 The Basic Single-Beam Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.2 The Constant Photocurrent Method (CPM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.3 Dual-Beam Photoconductivity (DBP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.4 Modulated Photoconductivity (MPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2
Transient Photoconductivity Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Current Relaxation from the Steady State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Transient Photoconductivity (TPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3 Time-of-Flight Measurements (TOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.4 Interrupted Field Time-of-Flight (IFTOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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138
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141
141
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143
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145
146
8 Electronic Properties of Semiconductor Interfaces
Winfried Mönch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1
Experimental Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Barrier Heights of Laterally Homogeneous Schottky Contacts .
8.1.2 Band Offsets of Semiconductor Heterostructures . . . . . . . . . . . . . .
8.2
IFIGS-and-Electronegativity Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3
Comparison of Experiment and Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Barrier Heights of Schottky Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Band Offsets of Semiconductor Heterostructures . . . . . . . . . . . . . .
8.3.3 Band-Structure Lineup at Insulator Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4
Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9 Charge Transport in Disordered Materials
Sergei Baranovskii, Oleg Rubel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1
General Remarks on Charge Transport in Disordered Materials . . . . . .
9.2
Charge Transport in Disordered Materials via Extended States . . . . . . .
9.3
Hopping Charge Transport in Disordered Materials
via Localized States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Nearest-Neighbor Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Variable-Range Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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163
167
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170
172
Detailed Contents
9.3.3 Description of Charge-Carrier Energy Relaxation
and Hopping Conduction in Inorganic Noncrystalline
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.4 Description of Charge Carrier Energy Relaxation
and Hopping Conduction in Organic Noncrystalline
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4
Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10 Dielectric Response
Leonard Dissado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Definition of Dielectric Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1 Relationship to Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.2 Frequency-Dependent Susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.3 Relationship to Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Frequency-Dependent Linear Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Resonance Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.2 Relaxation Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Information Contained in the Relaxation Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 The Dielectric Increment for a Linear Response χ0 . . . . . . . . . . .
10.3.2 The Characteristic Relaxation Time (Frequency) . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3 The Relaxation Peak Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Charge Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 A Few Final Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11 Ionic Conduction and Applications
Harry L. Tuller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Conduction in Ionic Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Fast Ion Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Structurally Disordered Crystalline Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2 Amorphous Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.3 Heavily Doped Defective Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.4 Interfacial Ionic Conduction and Nanostructural Effects . . . . .
11.3 Mixed Ionic–Electronic Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.1 Defect Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.2 Electrolytic Domain Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.1 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.2 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.3 Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.4 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.5 Electrochromic Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Future Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
1312
Detailed Contents
Part B Growth and Characterization
Detailed Cont.
12 Bulk Crystal Growth – Methods and Materials
Peter Capper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2 Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.1 Verneuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.2 Czochralski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.3 Kyropoulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.4 Stepanov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.5 Edge-Defined Film Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.6 Bridgman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.7 Vertical Gradient Freeze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.8 Float Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.9 Travelling Heater Method (THM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.10 Low-Temperature Solution Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.11 High-Temperature Solution Growth (Flux) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.12 Hydrothermal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.13 Growth from the Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 Materials Grown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1 Group IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.2 Groups III–V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.3 Groups II–VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.4 Oxides/Halides/Phosphates/Borates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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13 Single-Crystal Silicon: Growth and Properties
Fumio Shimura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2 Starting Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Metallurgical-Grade Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.2 Polycrystalline Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3 Single-Crystal Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.1 Floating-Zone Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.2 Czochralski Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.3 Impurities in Czochralski Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4 New Crystal Growth Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.1 Czochralski Growth with an Applied Magnetic Field (MCZ) . . .
13.4.2 Continuous Czochralski Method (CCZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.3 Neckingless Growth Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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14 Epitaxial Crystal Growth: Methods and Materials
Peter Capper, Stuart Irvine, Tim Joyce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1 Liquid-Phase Epitaxy (LPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
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15 Narrow-Bandgap II–VI Semiconductors: Growth
Peter Capper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1 Bulk Growth Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.1 Phase Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.2 Crystal Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.3 Material Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2 Liquid-Phase Epitaxy (LPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.1 Hg-Rich Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.2 Te-Rich Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.3 Material Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3 Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3.1 Substrate Type and Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3.2 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3.3 In Situ Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4 Molecular Beam Epitaxy (MBE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4.1 Double-Layer Heterojunction Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4.2 Multilayer Heterojunction Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4.3 CMT and CdZnTe Growth on Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5 Alternatives to CMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
14.1.2 History and Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.3 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.4 Apparatus and Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.5 Group IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.6 Group III–V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.7 Group II–VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.8 Atomically Flat Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2 Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.2 Basic Reaction Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.3 Precursors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.4 Reactor Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.5 III–V MOCVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.6 II–VI MOCVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3 Molecular Beam Epitaxy (MBE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.2 Reaction Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.3 MBE Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.4 Gas Sources in MBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.5 Growth of III–V Materials by MBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1313
1314
Detailed Contents
16 Wide-Bandgap II–VI Semiconductors:
Growth and Properties
Detailed Cont.
Jifeng Wang, Minoru Isshiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1 Crystal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.1 Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.2 Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2 Epitaxial Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.1 The LPE Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.2 Vapor-Phase Epitaxy Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3 Bulk Crystal Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.1 The CVT and PVT Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.2 Hydrothermal Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.3 Bridgman and Gradient Freezing (GF) Method . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.4 The Traveling Heater Method (THM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.5 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17 Structural Characterization
Paul D. Brown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1 Radiation–Material Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2 Particle–Material Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3 X-Ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4 Optics, Imaging and Electron Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.1 Electron Diffraction and Image Contrast Analysis . . . . . . . . . . . .
17.4.2 Microdiffraction and Polarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.3 Reflection High-Energy Electron Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5 Characterizing Functional Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.6 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.7 Case Studies – Complementary Characterization of Electronic
and Optoelectronic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.7.1 Identifying Defect Sources Within Homoepitaxial GaN . . . . . . .
17.7.2 Cathodoluminescence/Correlated TEM Investigation
of Epitaxial GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.7.3 Scanning Transmission Electron Beam Induced Conductivity
of Si/Si1−x Gex /Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.8 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18 Surface Chemical Analysis
David Sykes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1 Electron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.1 Auger Electron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.2 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2 Glow-Discharge Spectroscopies (GDOES and GDMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3 Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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384
Detailed Contents
1315
19 Thermal Properties and Thermal Analysis:
Fundamentals, Experimental Techniques and Applications
Safa Kasap, Dan Tonchev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1
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400
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406
20 Electrical Characterization of Semiconductor Materials
and Devices
M. Jamal Deen, Fabien Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1 Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1.1 Bulk Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1.2 Contact Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2 Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2.1 Physical Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2.2 Hall Scattering Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3 Capacitance–Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.1 Average Doping Density by Maximum–Minimum
High-Frequency Capacitance Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.2 Doping Profile by High-Frequency and High–Low
Frequency Capacitance Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.3 Density of Interface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4 Current–Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4.1 I–V Measurements on a Simple Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4.2 I–V Measurements on a Simple MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4.3 Floating Gate Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.5 Charge Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.6 Low-Frequency Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.6.2 Noise from the Interfacial Oxide Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
409
410
410
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426
426
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428
430
430
431
Detailed Cont.
Heat Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.1 Fundamental Debye Heat Capacity of Crystals . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.2 Specific Heat Capacity of Selected Groups
of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2 Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.1 Definition and Typical Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.2 Thermal Conductivity of Crystalline Insulators . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.3 Thermal Conductivity of Noncrystalline Insulators . . . . . . . . . . .
19.2.4 Thermal Conductivity of Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3 Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3.1 Grüneisen’s Law and Anharmonicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3.2 Thermal Expansion Coefficient α . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.4 Enthalpic Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.4.1 Enthalpy, Heat Capacity and Physical Transformations . . . . . .
19.4.2 Conventional Differential Scanning Calorimetry (DSC) . . . . . . . .
19.5 Temperature-Modulated DSC (TMDSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5.1 TMDSC Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5.2 TMDSC Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5.3 Tzero Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1316
Detailed Contents
20.6.3 Impedance Considerations During Noise Measurement . . . . . .
20.7 Deep-Level Transient Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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434
436
Part C Materials for Electronics
Detailed Cont.
21 Single-Crystal Silicon: Electrical and Optical Properties
Shlomo Hava, Mark Auslender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1 Silicon Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1.1 Structure and Energy Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1.2 Impurity Levels and Charge-Carrier Population . . . . . . . . . . . . . .
21.1.3 Carrier Concentration, Electrical and Optical Properties . . . . .
21.1.4 Theory of Electrical and Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.1 Ohm’s Law Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.2 High-Electric-Field Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.3 Review Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.1 Diversity of Silicon as an Optical Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.2 Measurements of Optical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.3 Modeling of Optical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.4 Electric-Field and Temperature Effects
on Optical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22 Silicon–Germanium: Properties, Growth and Applications
Peter Ashburn, Darren M. Bagnall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1 Physical Properties of Silicon–Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.1 Critical Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.2 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.3 Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.4 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.5 Majority-Carrier Mobility in Strained Si1−x Gex . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.6 Majority-Carrier Mobility in Tensile-Strained Si
on Relaxed Si1−x Gex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.7 Minority-Carrier Mobility in Strained Si1−x Gex . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.8 Apparent Band-Gap Narrowing in Si1−x Gex HBTs . . . . . . . . . . . .
22.2 Optical Properties of SiGe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.1 Dielectric Functions and Interband Transitions . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.2 Photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.3 SiGe Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3 Growth of Silicon–Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.1 In-Situ Hydrogen Bake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.2 Hydrogen Passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.3 Ultra-Clean Epitaxy Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
22.3.4 Si1−x Gex Epitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.5 Selective Si1−x Gex Epitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.4 Polycrystalline Silicon–Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.4.1 Electrical Properties of Polycrystalline Si1−x Gex . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
23 Gallium Arsenide
Mike Brozel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1 Bulk Growth of GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.1 Doping Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.2 Horizontal Bridgman
and Horizontal Gradient Freeze Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.3 Liquid-Encapsulated Czochralski (LEC) Technique . . . . . . . . . . . .
23.1.4 Vertical Gradient Freeze (VGF) Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2 Epitaxial Growth of GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.1 Liquid-Phase Epitaxy (LPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.2 Vapour-Phase Epitaxy (VPE) Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.3 Molecular-Beam Epitaxy (MBE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.2.4 Growth of Epitaxial and Pseudomorphic Structures . . . . . . . . . .
23.3 Diffusion in Gallium Arsenide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3.1 Shallow Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3.2 Shallow Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.3.3 Transition Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.4 Ion Implantation into GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.5 Crystalline Defects in GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.5.1 Defects in Melt-Grown GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.5.2 Epitaxial GaAs (not Low Temperature MBE GaAs) . . . . . . . . . . . . .
23.5.3 LTMBE GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.6 Impurity and Defect Analysis of GaAs (Chemical) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.7 Impurity and Defect Analysis of GaAs (Electrical) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.7.1 Introduction to Electrical Analysis of Defects in GaAs . . . . . . . .
23.8 Impurity and Defect Analysis of GaAs (Optical) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.8.1 Optical Analysis of Defects in GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.9 Assessment of Complex Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.9.1 Carrier Concentration Measurements
in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.9.2 Layer Thickness and Composition Measurements . . . . . . . . . . . .
23.10 Electrical Contacts to GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.10.1 Ohmic Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.10.2 Schottky Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.11 Devices Based on GaAs (Microwave) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.11.1 The Gunn Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.11.2 The Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor
(MESFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.11.3 The High-Electron-Mobility Transistor (HEMT)
or Modulation Doped FET (MODFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.11.4 The Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1318
Detailed Contents
23.12 Devices based on GaAs (Electro-optical) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.12.1 GaAs Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.12.2 GaAs Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.12.3 GaAs Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.13 Other Uses for GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.14 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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531
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532
533
24 High-Temperature Electronic Materials:
Silicon Carbide and Diamond
Detailed Cont.
Magnus Willander, Milan Friesel, Qamar-ul Wahab, Boris Straumal . . . . . . . .
24.1 Material Properties and Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1.1 Silicon Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1.2 Diamond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2 Electronic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2.1 Silicon Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.2.2 Diamond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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557
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25 Amorphous Semiconductors: Structure, Optical,
and Electrical Properties
Kazuo Morigaki, Chisato Ogihara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1 Electronic States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.1 General Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.2 a-Si:H and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.3 Chalcogenide Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.1 General Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.2 a-Si:H and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.3 Chalcogenide Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.1 General Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.2 a-Si:H and Related Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.3 Chalcogenide Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5 Light-Induced Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.6 Nanosized Amorphous Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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26 Amorphous and Microcrystalline Silicon
Akihisa Matsuda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.1 Reactions in SiH4 and SiH4 /H2 Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2 Film Growth on a Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.1 Growth of a-Si:H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.2 Growth of µc-Si:H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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584
Detailed Contents
Defect Density Determination for a-Si:H and µc-Si:H . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.1 Dangling Bond Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.2 Dangling Bond Defect Density in µc-Si:H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.4 Device Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5 Recent Progress in Material Issues Related to Thin-Film
Silicon Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.5.1 Controlling Photoinduced Degradation in a-Si:H . . . . . . . . . . . .
26.5.2 High Growth Rates of Device-Grade µc-Si:H . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3
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28 Dielectric Materials for Microelectronics
Robert M. Wallace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.0.1 The Scaling of Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.0.2 Role of Dielectrics for ICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1 Gate Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.1 Transistor Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.2 Transistor Dielectric Requirements in View of Scaling . . . . . . . .
28.1.3 Silicon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.4 Silicon Oxynitride: SiOx Ny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.5 High-κ Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2 Isolation Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3 Capacitor Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.1 Types of IC Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.2 Capacitor Dielectric Requirements in View of Scaling . . . . . . . .
28.3.3 Dielectrics for Volatile Memory Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.4 Dielectrics for Nonvolatile Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
27 Ferroelectric Materials
Roger Whatmore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.0.1 Definitions and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.0.2 Basic Ferroelectric Characteristics and Models . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1 Ferroelectric Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.1 Ferroelectric Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.2 Triglycine Sulphate (TGS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1.3 Polymeric Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2 Ferroelectric Materials Fabrication Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.1 Single Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.2 Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.3 Thick Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.4 Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3 Ferroelectric Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.1 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.2 Computer Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.3 Piezoelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.4 Pyroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1320
Detailed Contents
28.4
Detailed Cont.
Interconnect Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4.1 Tetraethoxysilane (TEOS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.4.2 Low-κ Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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29 Thin Films
Robert D. Gould† . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1 Deposition Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1.1 Physical Deposition Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1.2 Chemical Deposition Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.1 Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.2 Film Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.3 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.3 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.3.1 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.3.2 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.4 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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708
711
30 Thick Films
Neil White . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.1 Thick Film Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.1.1 Screen Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.1.2 The Drying and Firing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.1 Alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.2 Stainless Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.3 Polymer Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3 Thick Film Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.1 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.2 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.3 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.4 Polymer Thick Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4 Components and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.1 Passive Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.2 Active Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.3 Trimming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.4 Wire Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.5 Soldering of Surface-Mounted Components . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.6 Packaging and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5.1 Mechanical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5.2 Thermal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5.3 Optical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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718
718
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720
720
720
720
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721
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724
725
725
726
727
727
728
728
729
730
Detailed Contents
30.5.4 Chemical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5.5 Magnetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.5.6 Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1321
730
730
731
731
Part D Materials for Optoelectronics and Photonics
737
737
739
739
739
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741
741
741
741
743
743
744
746
748
748
749
750
751
32 Group III Nitrides
Ali Teke, Hadis Morkoç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.1 Crystal Structures of Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.2 Lattice Parameters of Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3 Mechanical Properties of Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.4 Thermal Properties of Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.4.1 Thermal Expansion Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.4.2 Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.4.3 Specific Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.5 Electrical Properties of Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.5.1 Low-Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.5.2 High-Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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755
756
757
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766
775
735
735
736
737
Detailed Cont.
31 III-V Ternary and Quaternary Compounds
Sadao Adachi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.1 Introduction to III–V Ternary and Quaternary Compounds . . . . . . . . . . .
31.2 Interpolation Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3 Structural Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.3.1 Lattice Parameters and Lattice-Matching Conditions
Between III–V Quaternaries and Binary Substrates . . . . . . . . . .
31.3.2 Molecular and Crystal Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4 Mechanical, Elastic and Lattice Vibronic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.1 Microhardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.2 Elastic Constants and Related Moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.4.3 Long-Wavelength Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.1 Specific Heat and Debye Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.2 Thermal Expansion Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.5.3 Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6 Energy Band Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6.1 Bandgap Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6.2 Carrier Effective Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.6.3 Deformation Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.7 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.7.1 The Reststrahlen Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.7.2 The Interband Transition Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.8 Carrier Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1322
Detailed Contents
32.6
Optical Properties of Nitrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.6.1 Gallium Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.6.2 Aluminium Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.6.3 Indium Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.7 Properties of Nitride Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.8 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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778
786
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791
794
795
33 Electron Transport Within the III–V Nitride Semiconductors,
GaN, AlN, and InN: A Monte Carlo Analysis
Detailed Cont.
Brian E. Foutz, Stephen K. O’Leary, Michael Shur, Lester F. Eastman . . . . . . . .
33.1 Electron Transport Within Semiconductors and the Monte Carlo
Simulation Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.1 The Boltzmann Transport Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.2 Our Ensemble Semi-Classical Monte Carlo
Simulation Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.3 Parameter Selections for Bulk Wurtzite GaN, AlN,
and InN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2 Steady-State and Transient Electron Transport
Within Bulk Wurtzite GaN, AlN, and InN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.1 Steady-State Electron Transport Within Bulk Wurtzite GaN . .
33.2.2 Steady-State Electron Transport: A Comparison
of the III–V Nitride Semiconductors with GaAs . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.3 Influence of Temperature on the Electron Drift Velocities
Within GaN and GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.4 Influence of Doping on the Electron Drift Velocities
Within GaN and GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.5 Electron Transport in AlN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.6 Electron Transport in InN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.7 Transient Electron Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.8 Electron Transport: Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3 Electron Transport Within III–V Nitride Semiconductors: A Review . . .
33.3.1 Evolution of the Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.2 Recent Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.3 Future Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34 II–IV Semiconductors for Optoelectronics: CdS, CdSe, CdTe
Jifeng Wang, Minoru Isshiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.1 Basic Description of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.2 Design of Cd-Based Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.3 Development of CdS/CdTe Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.4 CdZnTe Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.5 The Future of Cd-Based Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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829
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834
834
Detailed Contents
34.3
834
835
835
836
839
840
840
35 Doping Aspects of Zn-Based Wide-Band-Gap Semiconductors
Gertrude F. Neumark, Yinyan Gong, Igor L. Kuskovsky .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.1 ZnSe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.1.1 Doping – Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.1.2 Results on p-Type Material with N as the Primary Dopant . .
35.2 ZnBeSe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.3 ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.3.1 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.3.2 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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843
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849
850
851
36 II–VI Narrow-Bandgap Semiconductors for Optoelectronics
Ian M. Baker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.0.1 Historical Perspective and Early Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.0.2 Introduction to HgCdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.0.3 Introduction to Device Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.1 Applications and Sensor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.2 Photoconductive Detectors in HgCdTe and Related Alloys . . . . . . . . . . . . .
36.2.1 Introduction to the Technologyof Photoconductor Arrays . . .
36.2.2 Theoretical Fundamentals for Long-Wavelength Arrays . . . . .
36.2.3 Special Case of Medium-Wavelength Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.2.4 Nonequilibrium Effectsin Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.3 SPRITE Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.4 Photoconductive Detectors in Closely Related Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.5 Conclusions on Photoconductive HgCdTe Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6 Photovoltaic Devices in HgCdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.1 Ideal Photovoltaic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.2 Nonideal Behavior in HgCdTe Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.3 Theoretical Foundations of HgCdTe Array Technology . . . . . . . .
36.6.4 Manufacturing Technologyfor HgCdTe Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.5 HgCdTe 2-D Arrays for the 3–5 µm (MW) Band . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.6 HgCdTe 2-D Arrays for the 8–12 µm (LW) Band . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.7 HgCdTe 2-D Arrays for the 1–3 µm (SW) Band . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.8 Towards “GEN III Detectors” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.6.9 Conclusions and Future Trends
for Photovoltaic HgCdTe Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.7 Emission Devices in II–VI Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.8 Potential for Reduced-Dimensionality HgTe–CdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Radiation Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.3.1 Basic Description of Semiconductor Radiation Detectors . . . .
34.3.2 CdTe and CdZnTe Radiation Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.3.3 Performance of CdTe and CdZnTe Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.3.4 Applications of CdTe and CdZnTe Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
Detailed Cont.
37 Optoelectronic Devices and Materials
Stephen Sweeney, Alfred Adams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.1 Introduction to Optoelectronic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.1.1 Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2 Light-Emitting Diodes and Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.1 Carrier–Photon Interactions in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . .
37.2.2 Direct- and Indirect-Gap Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.3 Emission and Absorption Rates and the Einstein
Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.4 Population Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.5 Gain in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.6 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.7 Optical Feedback in a Fabry–Perot Laser Cavity . . . . . . . . . . . . . .
37.2.8 Wave-Guiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.9 Carrier Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.10 Current Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.11 Laser Threshold and Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.12 Carrier Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.13 Temperature Sensitivity and T0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3 Single-Mode Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3.1 DFB lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3.2 VCSELs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4 Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4.1 An Introduction to Optical Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4.2 Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.5 Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.5.1 Modulator Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.5.2 Polarisation-Insensitive Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.5.3 High-Speed High-Power QCSE Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.5.4 The Electro-Optic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.6 Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.6.1 Photodetector Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.6.2 Photodetection Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.6.3 Detectors with Internal Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.6.4 Avalanche Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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38 Liquid Crystals
David Dunmur, Geoffrey Luckhurst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1 Introduction to Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.1 Calamitic Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.2 Chiral Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.3 Discotic Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2 The Basic Physics of Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.1 Orientational Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.2 Director Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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39 Organic Photoconductors
David S. Weiss, Martin Abkowitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.1 Chester Carlson and Xerography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.2 Operational Considerations and Critical Materials Properties . . . . . . . . .
39.2.1 Dark Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.2.2 Photodischarge–Charge Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.2.3 Photogeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3 OPC Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3.1 Dark Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3.2 Photosensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3.3 Electrical-Only Cycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4 OPC Architecture and Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.1 OPC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.2 Coating Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.3 Substrate and Conductive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.4 Smoothing Layer and Charge-Blocking Layer . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.5 Charge-Generation Layer (CGL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.6 Charge-Transport Layer (CTL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.7 Backing Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4.8 Overcoat Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.5 Photoreceptor Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40 Luminescent Materials
Andy Edgar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1 Luminescent Centres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1.1 Rare-Earth Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1.2 Transition-Metal Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1.3 s2 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1.4 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
38.2.3 Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.4 Flexoelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.5 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.3 Liquid-Crystal Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.3.1 A Model Liquid-Crystal Display:
Electrically Controlled Birefringence Mode (ECB) . . . . . . . . . . . . . .
38.3.2 High-Volume Commercial Displays: The Twisted
Nematic (TN) and Super-Twisted Nematic (STN) Displays . . . .
38.3.3 Complex LC Displays and Other Cell Configurations . . . . . . . . . . .
38.4 Materials for Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.4.1 Chemical Structure and Liquid-Crystal Phase Behaviour . . . .
38.4.2 The Formulation of Liquid-Crystal Display Mixtures . . . . . . . . . .
38.4.3 Relationships Between Physical Properties
and Chemical Structures of Mesogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40.2
40.3
40.4
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40.6
Interaction with the Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermally Stimulated Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Optically (Photo-)Stimulated Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Experimental Techniques – Photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.6.1 White Light-Emitting Diodes (LEDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.6.2 Long-Persistence Phosphors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.6.3 X-Ray Storage Phosphors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.6.4 Phosphors for Optical Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.6.5 Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.7 Representative Phosphors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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41 Nano-Engineered Tunable Photonic Crystals in the Near-IR
and Visible Electromagnetic Spectrum
Harry Ruda, Naomi Matsuura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.1
PC Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.1.1 Introduction to PCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.1.2 Nano-Engineering of PC Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.1.3 Materials Selection for PCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.2 Traditional Fabrication Methodologies for Static PCs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.2.1 2-D PC Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.2.2 3-D PC Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.3 Tunable PCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.3.1 Tuning the PC Response by Changing the Refractive Index
of the Constituent Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.3.2 Tuning PC Response by Altering the Physical Structure
of the PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42 Quantum Wells, Superlattices, and Band-Gap Engineering
Mark Fox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.1 Principles of Band-Gap Engineering and Quantum
Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.1.1 Lattice Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.1.2 Quantum-Confined Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.2 Optoelectronic Properties of Quantum-Confined Structures . . . . . . . . . .
42.2.1 Electronic States in Quantum Wells and Superlattices . . . . . . .
42.2.2 Interband Optical Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.2.3 The Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.2.4 Inter-Sub-Band Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.2.5 Vertical Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.2.6 Carrier Capture and Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3 Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3.1 Interband Light-Emitting Diodes and Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3.2 Quantum Cascade Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
42.4
1034
1034
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1038
43 Glasses for Photonic Integration
Ray DeCorby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.1 Main Attributes of Glasses as Photonic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.1.1 The Glass Transition as Enabler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.1.2 Metastability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.1.3 Glass as Host Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.2 Glasses for Integrated Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.2.1 Low Index Glassy Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.2.2 Medium Index Glassy Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.2.3 High Index Glassy Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.3 Laser Glasses for Integrated Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.3.1 Advantages of Glass-based Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.3.2 Alternative Glass Hosts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43.3.3 Progress Towards Integrated Light Sources in Glass . . . . . . . . . .
43.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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44 Optical Nonlinearity in Photonic Glasses
Keiji Tanaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.1 Third-Order Nonlinearity in Homogeneous Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.1.1 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.1.2 Theoretical Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.1.3 Stimulated Light Scattering
and Supercontinuum Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.2 Second-Order Nonlinearity in Poled Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.3 Particle-Embedded Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.4 Photoinduced Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45 Nonlinear Optoelectronic Materials
Lukasz Brzozowski, Edward Sargent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.1.1 Signal Processing in Optical Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.1.2 Optical Signal Processing Using Nonlinear Optics . . . . . . . . . . . . .
45.1.3 The Approach Taken During this Survey
of Nonlinear Optoelectronic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.1 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.2 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.3 Inter-Sub-Band Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.4 Unipolar Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.5 Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.6 Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
45.2
Detailed Cont.
Illumination-Dependent Refractive Index and Nonlinear
Figures of Merit (FOM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.2.1 Ultrafast Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.2.2 Ultrafast Nonlinear Material Figures of Merit . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.2.3 Resonant Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.2.4 Resonant Nonlinear Material Figures of Merit . . . . . . . . . . . . . . . .
45.3 Bulk and Multi-Quantum-Well (MQW) Inorganic
Crystalline Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.3.1 Resonant Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.3.2 Nonresonant Nonlinearities
in Inorganic Crystalline Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.4 Organic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.4.1 Resonant Nonlinear Response of Organic Materials . . . . . . . . . .
45.4.2 Nonresonant Nonlinear Response of Organic Materials . . . . . .
45.5 Nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.6 Other Nonlinear Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Part E Novel Materials and Selected Applications
46 Solar Cells and Photovoltaics
Stuart Irvine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.1 Figures of Merit for Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.2 Crystalline Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.3 Amorphous Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.4 GaAs Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.5 CdTe Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.6 CuInGaSe2 (CIGS) Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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47 Silicon on Mechanically Flexible Substrates for Large-Area
Electronics
Peyman Servati, Arokia Nathan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.1 a-Si:H TFTs on Flexible Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.2 Field-Effect Transport in Amorphous Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.2.1 Localized and Extended States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.2.2 Density of States (DOS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.2.3 Effective Carrier Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.3 Electronic Transport Under Mechanical Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.3.1 Thin-Film Strain Gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47.3.2 Strained Amorphous-Silicon Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
48 Photoconductors for X-Ray Image Detectors
M. Zahangir Kabir, Safa Kasap, John Rowlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.1 X-Ray Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.1.1 Ideal Photoconductor Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.1.2 Potential Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.1.3 Summary and the Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.2 Metrics of Detector Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.2.1 X-Ray Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.2.2 Detective Quantum Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.2.3 Modulation Transfer Function (MTF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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50 Carbon Nanotubes and Bucky Materials
Mark Baxendale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1 Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1.2 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1.3 Synthesis and Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1.4 Electronic Structure and Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1.5 Nanoelectronic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.1.6 Other Electronic Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.2 Bucky Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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51 Magnetic Information-Storage Materials
Larry Comstock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.1 Magnetic Recording Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.1.1 Magnetic Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.1.2 The Write Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.1.3 Spin Valve Read Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.1.4 Longitudinal Recording Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.1.5 Perpendicular Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.2 Magnetic Random-Access Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51.2.1 Tunneling Magnetoresistive Heads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.
49 Phase-Change Optical Recording
Alexander Kolobov, Junji Tominaga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49.1 Digital Versatile Discs (DVDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49.1.1 Questions Pertaining to DVD Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49.1.2 Local Structure and its Changes During the Phase
Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49.1.3 Related Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49.2 Super-RENS Discs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49.3 In Lieu of Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1329
1330
Detailed Contents
51.3 Extraordinary Magnetoresistance (EMR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1189
51.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1189
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1189
Detailed Cont.
52 High-Temperature Superconductors
Rainer Wesche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.1 The Superconducting State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.1.1 Characteristic Properties of Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.1.2 Superconductor Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.1.3 Superconductivity: A Macroscopic Quantum Phenomenon . .
52.1.4 Type II Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.2 Cuprate High-Tc Superconductors: An Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.2.1 Major Families of Cuprate Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.2.2 Generic Phase Diagram of Cuprate Superconductors . . . . . . . . .
52.2.3 Crystal Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.2.4 Critical Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.3 Physical Properties of Cuprate Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.3.1 Anisotropic Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.3.2 Irreversibility Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.3.3 Limitations of the Transport Critical Current . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.4 Superconducting Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.5 The Special Case of MgB2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1193
1195
1195
1197
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1202
1202
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1216
1216
53 Molecular Electronics
Michael Petty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.1 Electrically Conductive Organic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.1.1 Orbitals and Chemical Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.1.2 Band Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.1.3 Electrical Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.3 Plastic Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.3.1 Diodes and Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.3.2 Organic Light-Emitting Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.3.3 Photovoltaic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.3.4 Chemical Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.4 Molecular-Scale Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.4.1 Moore’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.4.2 Nanoscale Organic Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.4.3 Patterning Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.4.4 Molecular Device Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.5 DNA Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Contents
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1261
1262
55 Packaging Materials
Darrel Frear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.1 Package Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.2 The Materials Challenge of Electronic Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.2.1 Materials Issues in High-Speed Digital Packaging . . . . . . . . . . . .
55.2.2 RF Packaging Materials Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.3 Materials Coefficient of Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.4 Wirebond Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.4.1 Wirebonds for Digital Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.4.2 Wirebonds for RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.5 Solder Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.5.1 Flip-Chip Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.5.2 Flip Chip for RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.5.3 Pb-Free . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.6 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.6.1 RF Substrate Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.7 Underfill and Encapsulants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.7.1 Underfill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.7.2 Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.8 Electrically Conductive Adhesives (ECAs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.8.1 Adhesive Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.8.2 Metal Fillers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.8.3 Conduction Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.8.4 Isotropic Versus Anisotropic Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.8.5 Rework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.9 Thermal Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.9.1 Thermal Issues in Digital Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55.9.2 Thermal Issues in RF Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1282
1282
1283
1283
1283
1284
Detailed Cont.
54 Organic Materials for Chemical Sensing
Asim Kumar Ray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.1 Analyte Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.2 Brief Review of Inorganic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.3 Macrocylic Compounds for Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.3.1 Preparation of Sensing Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.3.2 Thin-Film Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.4 Sensing with Phthalocyanine and Porphyrin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.4.1 Amperometric Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.4.2 Optical Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.4.3 Detection of Volatile Organic Vapour Compounds . . . . . . . . . . . .
54.5 Polymeric Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.5.1 Conducting Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.5.2 Ion Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.5.3 Examples of Other Polymeric Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.6 Cavitand Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54.7 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1331
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Detailed Contents
55.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
About the Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detailed Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Glossary of Defining Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Detailed Cont.