8/12/2019 Characterization of Nanocrystals
1/12
XVII
Contents
List of Abbreviations ................................................................................. XXIX
Introduction
1 Perspectives on Electronic and Optoelectronic Materials.................. 31.1 The Early Years .............................................................................. 41.2 The Silicon Age .............................................................................. 41.3 The Compound Semiconductors...................................................... 81.4 From Faraday to Today .................................................................. 14References............................................................................................... 14
Part A Fundamental Properties
2 Electrical Conduction in Metals and Semiconductors ........................ 192.1 Fundamentals: Drift Velocity, Mobility and Conductivity .................. 202.2 Matthiessens Rule ........................................................................ 222.3 Resistivity of Metals ....................................................................... 232.4 Solid Solutions and Nordheims Rule .............................................. 262.5 Carrier Scattering in Semiconductors .............................................. 282.6 The Boltzmann Transport Equation................................................. 292.7 Resistivity of Thin Polycrystalline Films ........................................... 302.8 Inhomogeneous Media. Effective Media Approximation
..................
32
2.9 The Hall Effect ............................................................................... 352.10 High Electric Field Transport........................................................... 372.11 Avalanche ..................................................................................... 382.12 Two-Dimensional Electron Gas ....................................................... 392.13 One Dimensional Conductance ....................................................... 412.14 The Quantum Hall Effect ................................................................ 42References............................................................................................... 44
3 Optical Properties of Electronic Materials:Fundamentals and Characterization .................................................. 47
3.1 Optical Constants...........................................................................
473.2 Refractive Index ............................................................................ 503.3 Optical Absorption ......................................................................... 533.4 Thin Film Optics............................................................................. 703.5 Optical Materials ........................................................................... 74References............................................................................................... 76
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VIII Contents
4 Magnetic Properties of Electronic Materials ...................................... 794.1 Traditional Magnetism................................................................... 814.2 Unconventional Magnetism ........................................................... 93References............................................................................................... 99
5 Defects in Monocrystalline Silicon ...................................................... 1015.1 Technological Impact of Intrinsic Point Defects Aggregates
..............
102
5.2 Thermophysical Properties of Intrinsic Point Defects ........................ 1035.3 Aggregates of Intrinsic Point Defects............................................... 1045.4 Formation of OSF Ring ................................................................... 115References............................................................................................... 117
6 Diffusion in Semiconductors ............................................................... 1216.1 Basic Concepts .............................................................................. 1226.2 Diffusion Mechanisms ................................................................... 1226.3 Diffusion Regimes ......................................................................... 1236.4 Internal Electric Fields ................................................................... 126
6.5 Measurement of Diffusion Coefficients............................................
126
6.6 Hydrogen in Semiconductors ......................................................... 1276.7 Diffusion in Group IV Semiconductors ............................................. 1286.8 Diffusion in IIIV Compounds......................................................... 1306.9 Diffusion in IIVI Compounds......................................................... 1316.10 Conclusions ................................................................................... 1336.11 General Reading and References .................................................... 133References............................................................................................... 133
7 Photoconductivity in Materials Research ........................................... 1377.1 Steady State Photoconductivity Methods ........................................ 1387.2
Transient Photoconductivity Experiments ....................................... 142
References............................................................................................... 146
8 Electronic Properties of Semiconductor Interfaces ............................ 1478.1 Experimental Database .................................................................. 1498.2 IFIGS-and-Electronegativity Theory ................................................ 1538.3 Comparison of Experiment and Theory ........................................... 1558.4 Final Remarks ............................................................................... 159References............................................................................................... 159
9 Charge Transport in Disordered Materials.......................................... 1619.1 General Remarks on Charge Transport in Disordered Materials ......... 1639.2 Charge Transport in Disordered Materials via Extended States.......... 1679.3 Hopping Charge Transport in Disordered Materials
via Localized States ....................................................................... 1699.4 Concluding Remarks ...................................................................... 184References............................................................................................... 185
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Contents XIX
10Dielectric Response .............................................................................. 18710.1 Definition of Dielectric Response .................................................... 18810.2 Frequency-Dependent Linear Responses ........................................ 19010.3 Information Contained in the Relaxation Response......................... 19610.4 Charge Transport ........................................................................... 20810.5 A Few Final Comments................................................................... 211
References...............................................................................................
211
11Ionic Conduction and Applications ..................................................... 21311.1 Conduction in Ionic Solids.............................................................. 21411.2 Fast Ion Conduction....................................................................... 21611.3 Mixed IonicElectronic Conduction................................................. 22111.4 Applications .................................................................................. 22311.5 Future Trends ................................................................................ 226References............................................................................................... 226
Part B Growth and Characterization12Bulk Crystal Growth Methods and Materials .................................. 231
12.1 History .......................................................................................... 23212.2 Techniques ................................................................................... 23312.3 Materials Grown ............................................................................ 24012.4 Conclusions ................................................................................... 251References............................................................................................... 251
13Single-Crystal Silicon: Growth and Properties ................................... 25513.1 Overview....................................................................................... 25613.2 Starting Materials .......................................................................... 257
13.3 Single-Crystal Growth....................................................................
258
13.4 New Crystal Growth Methods ......................................................... 266References............................................................................................... 268
14Epitaxial Crystal Growth: Methods and Materials ............................. 27114.1 Liquid-Phase Epitaxy (LPE)............................................................. 27114.2 Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)............................ 28014.3 Molecular Beam Epitaxy (MBE) ....................................................... 290References............................................................................................... 299
15Narrow-Bandgap IIVI Semiconductors: Growth .............................. 30315.1
Bulk Growth Techniques................................................................ 304
15.2 Liquid-Phase Epitaxy (LPE)............................................................. 30815.3 Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) ..................................... 31215.4 Molecular Beam Epitaxy (MBE) ....................................................... 31715.5 Alternatives to CMT........................................................................ 320References............................................................................................... 321
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4/12
XX Contents
16Wide-Bandgap IIVI Semiconductors:Growth and Properties ........................................................................ 32516.1 Crystal Properties .......................................................................... 32616.2 Epitaxial Growth ........................................................................... 32816.3 Bulk Crystal Growth ....................................................................... 33316.4 Conclusions ................................................................................... 339
References...............................................................................................
340
17Structural Characterization.................................................................. 34317.1 RadiationMaterial Interactions..................................................... 34417.2 ParticleMaterial Interactions ........................................................ 34517.3 X-Ray Diffraction........................................................................... 34817.4 Optics, Imaging and Electron Diffraction ......................................... 35117.5 Characterizing Functional Activity................................................... 36217.6 Sample Preparation ....................................................................... 36217.7 Case Studies Complementary Characterization of Electronic
and Optoelectronic Materials ......................................................... 364
17.8 Concluding Remarks ......................................................................
370
References............................................................................................... 370
18Surface Chemical Analysis .................................................................... 37318.1 Electron Spectroscopy .................................................................... 37318.2 Glow-Discharge Spectroscopies (GDOES and GDMS) .......................... 37618.3 Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) ......................................... 37718.4 Conclusion .................................................................................... 384
19Thermal Properties and Thermal Analysis:Fundamentals, Experimental Techniques
and Applications ..................................................................................
385
19.1 Heat Capacity ................................................................................ 38619.2 Thermal Conductivity ..................................................................... 39119.3 Thermal Expansion ........................................................................ 39619.4 Enthalpic Thermal Properties ......................................................... 39819.5 Temperature-Modulated DSC (TMDSC) ............................................. 403References............................................................................................... 406
20Electrical Characterization of Semiconductor Materialsand Devices........................................................................................... 40920.1 Resistivity ..................................................................................... 410
20.2 Hall Effect .....................................................................................
41820.3 CapacitanceVoltage Measurements............................................... 42120.4 CurrentVoltage Measurements ..................................................... 42620.5 Charge Pumping ............................................................................ 42820.6 Low-Frequency Noise .................................................................... 43020.7 Deep-Level Transient Spectroscopy................................................. 434References............................................................................................... 436
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5/12
Contents XXI
Part C Materials for Electronics
21Single-Crystal Silicon: Electrical and Optical Properties ................... 44121.1 Silicon Basics ................................................................................ 44121.2 Electrical Properties ....................................................................... 45121.3 Optical Properties .......................................................................... 472
References...............................................................................................
478
22SiliconGermanium: Properties, Growth and Applications .............. 48122.1 Physical Properties of SiliconGermanium ...................................... 48222.2 Optical Properties of SiGe............................................................... 48822.3 Growth of SiliconGermanium ....................................................... 49222.4 Polycrystalline SiliconGermanium ................................................ 494References............................................................................................... 497
23Gallium Arsenide .................................................................................. 49923.1 Bulk Growth of GaAs ...................................................................... 50223.2 Epitaxial Growth of GaAs ............................................................... 507
23.3 Diffusion in Gallium Arsenide ........................................................
511
23.4 Ion Implantation into GaAs ............................................................ 51323.5 Crystalline Defects in GaAs ............................................................. 51423.6 Impurity and Defect Analysis of GaAs (Chemical) ............................. 51723.7 Impurity and Defect Analysis of GaAs (Electrical) ............................. 51823.8 Impurity and Defect Analysis of GaAs (Optical) ................................ 52123.9 Assessment of Complex Heterostructures ........................................ 52223.10 Electrical Contacts to GaAs ............................................................. 52423.11 Devices Based on GaAs (Microwave) ................................................ 52423.12 Devices based on GaAs (Electro-optical) ......................................... 52723.13 Other Uses for GaAs ....................................................................... 532
23.14 Conclusions...................................................................................
532References............................................................................................... 533
24High-Temperature Electronic Materials:Silicon Carbide and Diamond .............................................................. 53724.1 Material Properties and Preparation ............................................... 54024.2 Electronic Devices .......................................................................... 54724.3 Summary ...................................................................................... 557References............................................................................................... 558
25Amorphous Semiconductors: Structure, Optical,and Electrical Properties...................................................................... 565
25.1 Electronic States............................................................................
56525.2 Structural Properties ...................................................................... 56825.3 Optical Properties .......................................................................... 57025.4 Electrical Properties ....................................................................... 57325.5 Light-Induced Phenomena ............................................................ 57525.6 Nanosized Amorphous Structure..................................................... 577References............................................................................................... 578
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6/12
XXII Contents
26Amorphous and Microcrystalline Silicon ............................................ 58126.1 Reactions in SiH4 and SiH4/H2Plasmas ........................................... 58126.2 Film Growth on a Surface .............................................................. 58326.3 Defect Density Determination for a-Si:H and c-Si:H ...................... 58926.4 Device Applications ....................................................................... 59026.5 Recent Progress in Material Issues Related to Thin-Film
Silicon Solar Cells...........................................................................
591
26.6 Summary ...................................................................................... 594References............................................................................................... 594
27Ferroelectric Materials ......................................................................... 59727.1 Ferroelectric Materials ................................................................... 60127.2 Ferroelectric Materials Fabrication Technology ................................ 60827.3 Ferroelectric Applications............................................................... 616References............................................................................................... 622
28Dielectric Materials for Microelectronics ............................................ 62528.1
Gate Dielectrics ............................................................................. 630
28.2 Isolation Dielectrics ....................................................................... 64728.3 Capacitor Dielectrics ...................................................................... 64728.4 Interconnect Dielectrics ................................................................. 65128.5 Summary ...................................................................................... 653References............................................................................................... 653
29Thin Films ............................................................................................. 65929.1 Deposition Methods ...................................................................... 66129.2 Structure ....................................................................................... 68229.3 Properties ..................................................................................... 69229.4 Concluding Remarks ...................................................................... 708
References...............................................................................................
711
30Thick Films ............................................................................................ 71730.1 Thick Film Processing..................................................................... 71830.2 Substrates ..................................................................................... 72030.3 Thick Film Materials....................................................................... 72130.4 Components and Assembly ............................................................ 72430.5 Sensors ......................................................................................... 728References............................................................................................... 731
Part D Materials for Optoelectronics and Photonics
31III-V Ternary and Quaternary Compounds .......................................... 73531.1 Introduction to IIIV Ternary and Quaternary Compounds ............... 73531.2 Interpolation Scheme .................................................................... 73631.3 Structural Parameters .................................................................... 73731.4 Mechanical, Elastic and Lattice Vibronic Properties.......................... 739
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7/12
Contents XXIII
31.5 Thermal Properties ........................................................................ 74131.6 Energy Band Parameters ................................................................ 74331.7 Optical Properties .......................................................................... 74831.8 Carrier Transport Properties............................................................ 750References............................................................................................... 751
32Group III Nitrides..................................................................................
753
32.1 Crystal Structures of Nitrides .......................................................... 75532.2 Lattice Parameters of Nitrides ........................................................ 75632.3 Mechanical Properties of Nitrides ................................................... 75732.4 Thermal Properties of Nitrides ........................................................ 76132.5 Electrical Properties of Nitrides ...................................................... 76632.6 Optical Properties of Nitrides.......................................................... 77732.7 Properties of Nitride Alloys............................................................. 79132.8 Summary and Conclusions ............................................................. 794References............................................................................................... 795
33Electron Transport Within the IIIV Nitride Semiconductors,GaN, AlN, and InN: A Monte Carlo Analysis ........................................ 80533.1 Electron Transport Within Semiconductors and the Monte Carlo
Simulation Approach ..................................................................... 80633.2 Steady-State and Transient Electron Transport
Within Bulk Wurtzite GaN, AlN, and InN .......................................... 81033.3 Electron Transport Within IIIV Nitride Semiconductors: A Review .... 82233.4 Conclusions ................................................................................... 826References............................................................................................... 826
34 IIIV Semiconductors for Optoelectronics: CdS, CdSe, CdTe............... 82934.1 Background .................................................................................. 82934.2 Solar Cells
.....................................................................................
829
34.3 Radiation Detectors ....................................................................... 83434.4 Conclusions ................................................................................... 840References............................................................................................... 840
35Doping Aspects of Zn-Based Wide-Band-Gap Semiconductors ....... 84335.1 ZnSe ............................................................................................. 84335.2 ZnBeSe.......................................................................................... 84835.3 ZnO............................................................................................... 849References............................................................................................... 851
36IIVI Narrow-Bandgap Semiconductors for Optoelectronics............
85536.1 Applications and Sensor Design...................................................... 85836.2 Photoconductive Detectors in HgCdTe and Related Alloys ................. 86036.3 SPRITE Detectors ............................................................................ 86436.4 Photoconductive Detectors in Closely Related Alloys ........................ 86636.5 Conclusions on Photoconductive HgCdTe Detectors .......................... 86736.6 Photovoltaic Devices in HgCdTe ...................................................... 867
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8/12
XIV Contents
36.7 Emission Devices in IIVI Semiconductors ....................................... 88236.8 Potential for Reduced-Dimensionality HgTeCdTe ........................... 883References............................................................................................... 883
37Optoelectronic Devices and Materials................................................. 88737.1 Introduction to Optoelectronic Devices ........................................... 888
37.2 Light-Emitting Diodes and Semiconductor Lasers............................
890
37.3 Single-Mode Lasers ....................................................................... 90437.4 Optical Amplifiers .......................................................................... 90637.5 Modulators ................................................................................... 90737.6 Photodetectors .............................................................................. 91137.7 Conclusions ................................................................................... 914References............................................................................................... 915
38Liquid Crystals ...................................................................................... 91738.1 Introduction to Liquid Crystals ....................................................... 91738.2 The Basic Physics of Liquid Crystals ................................................. 924
38.3 Liquid-Crystal Devices ...................................................................
93138.4 Materials for Displays .................................................................... 940References............................................................................................... 949
39Organic Photoconductors..................................................................... 95339.1 Chester Carlson and Xerography ..................................................... 95439.2 Operational Considerations and Critical Materials Properties ............ 95639.3 OPC Characterization...................................................................... 96539.4 OPC Architecture and Composition .................................................. 96739.5 Photoreceptor Fabrication ............................................................. 97639.6 Summary ...................................................................................... 977References............................................................................................... 978
40Luminescent Materials ......................................................................... 98340.1 Luminescent Centres...................................................................... 98540.2 Interaction with the Lattice ........................................................... 98740.3 Thermally Stimulated Luminescence............................................... 98940.4 Optically (Photo-)Stimulated Luminescence .................................... 99040.5 Experimental Techniques Photoluminescence.............................. 99140.6 Applications .................................................................................. 99240.7 Representative Phosphors ............................................................. 995References............................................................................................... 995
41Nano-Engineered Tunable Photonic Crystals in the Near-IRand Visible Electromagnetic Spectrum ............................................... 99741.1 PC Overview .................................................................................. 99841.2 Traditional Fabrication Methodologies for Static PCs ........................ 100141.3 Tunable PCs................................................................................... 101141.4 Summary and Conclusions ............................................................. 1014References............................................................................................... 1015
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9/12
Contents XXV
42Quantum Wells, Superlattices, and Band-Gap Engineering ............. 102142.1 Principles of Band-Gap Engineering and Quantum
Confinement ................................................................................. 102242.2 Optoelectronic Properties of Quantum-Confined Structures ............. 102442.3 Emitters ........................................................................................ 103242.4 Detectors ...................................................................................... 1034
42.5 Modulators ...................................................................................
1036
42.6 Future Directions ........................................................................... 103742.7 Conclusions ................................................................................... 1038References............................................................................................... 1038
43Glasses for Photonic Integration ........................................................ 104143.1 Main Attributes of Glasses as Photonic Materials ............................. 104243.2 Glasses for Integrated Optics .......................................................... 105043.3 Laser Glasses for Integrated Light Sources ....................................... 105343.4 Summary ...................................................................................... 1057References............................................................................................... 1059
44Optical Nonlinearity in Photonic Glasses ........................................... 106344.1 Third-Order Nonlinearity in Homogeneous Glass ............................. 106444.2 Second-Order Nonlinearity in Poled Glass....................................... 106944.3 Particle-Embedded Systems........................................................... 107044.4 Photoinduced Phenomena ............................................................ 107144.5 Summary ...................................................................................... 1072References............................................................................................... 1072
45Nonlinear Optoelectronic Materials .................................................... 107545.1 Background .................................................................................. 107545.2 Illumination-Dependent Refractive Index and Nonlinear
Figures of Merit (FOM)....................................................................
1077
45.3 Bulk and Multi-Quantum-Well (MQW) InorganicCrystalline Semiconductors ............................................................ 1080
45.4 Organic Materials .......................................................................... 108445.5 Nanocrystals ................................................................................. 108745.6 Other Nonlinear Materials .............................................................. 108845.7 Conclusions ................................................................................... 1089References............................................................................................... 1089
Part E Novel Materials and Selected Applications
46Solar Cells and Photovoltaics .............................................................. 109546.1 Figures of Merit for Solar Cells ........................................................ 109646.2 Crystalline Silicon .......................................................................... 109846.3 Amorphous Silicon ........................................................................ 110046.4 GaAs Solar Cells ............................................................................. 110146.5 CdTe Thin-Film Solar Cells .............................................................. 1102
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XVI Contents
46.6 CuInGaSe2 (CIGS) Thin-Film Solar Cells ............................................. 110346.7 Conclusions ................................................................................... 1104References............................................................................................... 1105
47Silicon on Mechanically Flexible Substrates for Large-AreaElectronics............................................................................................. 1107
47.1 a-Si:H TFTs on Flexible Substrates ..................................................
1108
47.2 Field-Effect Transport in Amorphous Films ..................................... 110847.3 Electronic Transport Under Mechanical Stress .................................. 1113References............................................................................................... 1118
48Photoconductors for X-Ray Image Detectors ..................................... 112148.1 X-Ray Photoconductors ................................................................. 112348.2 Metrics of Detector Performance..................................................... 113148.3 Conclusion .................................................................................... 1136References............................................................................................... 1136
49Phase-Change Optical Recording........................................................ 113949.1 Digital Versatile Discs (DVDs)
...........................................................
1140
49.2 Super-RENS Discs ........................................................................... 114449.3 In Lieu of Conclusion ..................................................................... 1145References............................................................................................... 1145
50Carbon Nanotubes and Bucky Materials ............................................. 114750.1 Carbon Nanotubes ......................................................................... 114750.2 Bucky Materials ............................................................................. 1153References............................................................................................... 1153
51Magnetic Information-Storage Materials .......................................... 115551.1
Magnetic Recording Technology ..................................................... 1156
51.2 Magnetic Random-Access Memory ................................................. 118551.3 Extraordinary Magnetoresistance (EMR) .......................................... 118951.4 Summary ...................................................................................... 1189References............................................................................................... 1189
52High-Temperature Superconductors .................................................. 119352.1 The Superconducting State ............................................................. 119552.2 Cuprate High-Tc Superconductors: An Overview .............................. 120252.3 Physical Properties of Cuprate Superconductors .............................. 120752.4 Superconducting Films .................................................................. 121252.5 The Special Case of MgB2 ................................................................ 1214
52.6 Summary ......................................................................................
1216
References............................................................................................... 1216
53Molecular Electronics ........................................................................... 121953.1 Electrically Conductive Organic Compounds..................................... 122053.2 Materials ...................................................................................... 122353.3 Plastic Electronics .......................................................................... 1225
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11/12
Contents XXVII
53.4 Molecular-Scale Electronics............................................................ 122953.5 DNA Electronics ............................................................................. 123553.6 Conclusions ................................................................................... 1236References............................................................................................... 1237
54Organic Materials for Chemical Sensing ............................................. 1241
54.1 Analyte Requirements ...................................................................
1242
54.2 Brief Review of Inorganic Materials ................................................ 124354.3 Macrocylic Compounds for Sensing ................................................. 124554.4 Sensing with Phthalocyanine and Porphyrin .................................. 125054.5 Polymeric Materials ....................................................................... 125554.6 Cavitand Molecules........................................................................ 125954.7 Concluding Remarks ...................................................................... 1261References............................................................................................... 1262
55Packaging Materials............................................................................. 126755.1 Package Applications ..................................................................... 126855.2
The Materials Challenge of Electronic Packaging.............................. 1269
55.3 Materials Coefficient of Thermal Expansion ..................................... 127255.4 Wirebond Materials ....................................................................... 127255.5 Solder Interconnects...................................................................... 127355.6 Substrates ..................................................................................... 127855.7 Underfill and Encapsulants ............................................................ 128055.8 Electrically Conductive Adhesives (ECAs) .......................................... 128155.9 Thermal Issues .............................................................................. 128355.10 Summary ...................................................................................... 1284References............................................................................................... 1285
Acknowledgements ................................................................................... 1287
About the Authors.....................................................................................
1291
Detailed Contents ...................................................................................... 1307Glossary of Defining Terms ....................................................................... 1333Subject Index............................................................................................. 1367
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http://www.springer.com/978-0-387-26059-4