硅光子學(xué)

內(nèi)容概要

　　光子學(xué)是一門研究光子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)特性、光子同物質(zhì)的相互作用及其應(yīng)用的前沿學(xué)科，硅光子學(xué)專門研究硅以及硅基異質(zhì)結(jié)材料(諸如sige／si、soi等)等介質(zhì)材料中光子的行為和規(guī)律，著重研究硅基光子器件的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造以及在光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用．《硅光子學(xué)》共19章，分別介紹硅基光子學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用和發(fā)展趨勢；硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)、制備方法；硅基光子器件，包括硅基發(fā)光器件、探測器、光波導(dǎo)器件；硅基光子晶體、硅基光電子集成、硅基光?連以及硅基太陽能電池．
　　《硅光子學(xué)》可以作為高等院校高年級本科生和研究生的教材和參考書，也可作為半導(dǎo)體光子學(xué)、光電集成、光電子器件、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)光互連及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員的參考書．

作者簡介

余金中，1965年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，1967年中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究生畢業(yè)，1991年獲日本大阪大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任研究員，博士生導(dǎo)師。中國光子學(xué)會(huì)理事等。發(fā)表論文200多篇。享受國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。

書籍目錄

序
前言
第1章 引言
 1.1 信息時(shí)代的前沿學(xué)科——光子學(xué)
 1.2 硅電子學(xué)的發(fā)展和硅光子學(xué)的誕生
 1.3 硅光子學(xué)——高科技的焦點(diǎn)
 1.4 本書的內(nèi)容
 參考文獻(xiàn)
第2章 硅鍺的材料性質(zhì)
 2.1 引言
 2.2 Si、Ge的晶體性質(zhì)
 2.2.2 晶格常數(shù)
 2.2.3
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的晶格失配和臨界厚度
 2.3 能帶結(jié)構(gòu)
 2.3.1 Si的能帶結(jié)構(gòu)
 2.3.2
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的能帶結(jié)構(gòu)
 2.3.3
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子結(jié)構(gòu)和超晶格
 2.4
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的電學(xué)性質(zhì)
 2.4.1
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的載流子遷移率
 2.4.2
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>/Si和Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>/Ge中的二維載流子
 2.5
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的光學(xué)性質(zhì)
 2.5.1
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的折射率
 2.5.2
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的吸收系數(shù)
 2.5.3
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的光熒光譜
 2.5.4
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>的Raman光譜
 2.6
弛豫Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>合金的物理參數(shù)
 2.7 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第3章 硅基光子材料的外延生長
 3.1 引言
 3.2
分子束外延技術(shù)生長Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>材料
 3.2.1 分子束外延技術(shù)簡介
 3.2.2
MBe外延生長Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>材料
 3.3 UHV/CVD系統(tǒng)
 3.4 UHV/CVD材料生長動(dòng)力學(xué)
 3.4.1 Si/Si同質(zhì)結(jié)外延
 3.4.2
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>/Si異質(zhì)結(jié)外延
 3.5 UHV/CVD外?生長Ge、GeSi和SiGeSn
 3.5.1 UHV/CVD生長Ge
 3.5.2
UHV/CVD低溫外延生長Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>
 3.5.3
UHV/CVD外延生長SiGeSn
 3.6 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第4章 SOI材料的性質(zhì)及應(yīng)用
 4.1 引言
 4.2 SOI的制備方法
 4.2.1 鍵合-背面腐蝕技術(shù)
 4.2.2 注氧隔離技術(shù)
 4.2.3 注氫智能剝離技術(shù)
 4.2.4 注氧鍵合技術(shù)
 4.2.5 SOI制備方法的比較
 4.3 SOI材料的表征技術(shù)
 4.3.1 SOI材料的晶體質(zhì)量
 4.3.2
SOI材料的載流子壽命和表面復(fù)合
 4.4 SOI的應(yīng)用與發(fā)展趨勢
 4.4.1 SOI CMOS電路
 4.4.2 SOI MOSFET技術(shù)
 4.4.3
SOI在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用及市場概況
 4.4.4 SOI技術(shù)的發(fā)展趨勢
 4.4.5 SOI光子集成技術(shù)
 參考文獻(xiàn)
第5章 硅基發(fā)光材料與器件
 5.1 硅基材料發(fā)光機(jī)理
 5.1.1 半導(dǎo)體材料發(fā)光機(jī)理
 5.1.2
硅基摻雜分立發(fā)光中心發(fā)光機(jī)理
 5.2 硅基發(fā)光
 5.2.1 硅納米結(jié)構(gòu)發(fā)光
 5.2.2 體硅發(fā)光材料與器件
 5.2.3
稀土離子摻雜硅基發(fā)光材料與器件
 5.2.4 硅基等電子發(fā)光材料與器件
 5.2.5
Ge/Si量子結(jié)構(gòu)及布里淵區(qū)折疊
 5.3 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第6章 硅基光放大器和激光器
 6.1 硅基納米結(jié)構(gòu)的光增益與激光器
 6.1.1 硅基納米結(jié)構(gòu)光增益與激射
 6.1.2
局域化硅納米晶體受限量子結(jié)構(gòu)電注入受激發(fā)射
 6.2 硅基摻鉺光放大器和激光器
 6.3 硅基拉曼激光器
 6.4 硅基等電子缺陷發(fā)光光泵激射器件
 6.5 硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)混合型激光器
 6.5.1
AlGaInAs/Si混合型激光器
 6.5.2
硅基Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>/Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)激射器件
 6.5.3
硅鍺MOS結(jié)構(gòu)電注入激射器件
 6.6 硅基激光器發(fā)展前景
 參考文獻(xiàn)
第7章 硅基量子級聯(lián)和太赫茲激光器
 7.1
Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)激光器的能帶計(jì)算
 7.1.1
k·p方法計(jì)算Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子阱的空穴能級
 7.1.2
中遠(yuǎn)紅外(太赫茲)Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)激光器的能帶設(shè)計(jì)
 7.2
Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)激光器的增益和損耗
 7.2.1
Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)激光器的增益系數(shù)
 7.2.2
Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)激光器的波導(dǎo)和損耗
 7.3
Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)的外延生長和表征
 7.4
Si/Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>量子級聯(lián)激光器的光電特性
 7.5 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第8章 硅基光電探測器
 8.1 硅探測器工作原理
 8.1.1 硅PIN光電二極管
 8.1.2 硅MSM光電二極管
 8.1.3 光電探測器的性能參數(shù)
 8.2
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>垂直結(jié)構(gòu)PIN光電二極管
 8.3
RCESi<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>/Si多量子阱光電二極管
 8.3.1 共振腔探測器自洽解析理論
 8.3.2 硅基共振腔的制備
 8.3.3
Si<sub>1-x</sub>Ge<sub>x</sub>/Si MQW
RCE光電探測器的制備
 8.3.4 RCe探測器的特性
 8.4 Si基Ge光電二極管
 8.4.1 硅基Ge材料外延技術(shù)
 8.4.2 Si基Ge探測器
 8.5 硅基Ⅲ-Ⅴ族化合物光電二極管
 8.6 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第9章 硅基光波導(dǎo)
 9.1 光波導(dǎo)中的模式
 9.2 脊形波導(dǎo)單模條件
 9.2.1
SOI矩形截面脊形波導(dǎo)的單模條件
 9.2.2
SOI梯形截面脊形波導(dǎo)的單模條件
 9.3 單模條件的計(jì)算方法
 9.3.1 束傳播法(BPM)
 9.3.2
時(shí)域有限差分法(FDTD)
 9.3.3 薄膜匹配法(FMM)
 9.4 光波導(dǎo)的損耗
 9.4.1 截?法
 9.4.2 F-P腔光譜分析法
 9.4.3 傅里葉譜分析方法
 9.5 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第10章 硅基微納光波導(dǎo)調(diào)制器
 10.1 硅基微納光波導(dǎo)的模式特性
 10.1.1 硅基一維限制平板波導(dǎo)
 10.1.2 條形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)
 10.2 硅基微納光波導(dǎo)的損耗
 10.3 硅基微納光波導(dǎo)的偏振相關(guān)性
 10.4 硅基微納光波導(dǎo)的調(diào)制
 10.4.1 光波的調(diào)制
 10.4.2 硅的光調(diào)制機(jī)理
 10.5 硅基微納光波導(dǎo)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)
 10.5.1
硅基微納光波導(dǎo)調(diào)制器的電學(xué)結(jié)構(gòu)
 10.5.2
硅基微納光波導(dǎo)調(diào)制器的光學(xué)結(jié)構(gòu)
 10.6 硅基微納光波導(dǎo)調(diào)制器進(jìn)展
 10.7 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第11章 硅基微環(huán)諧振器
 11.1 微環(huán)諧振器的工作原理
 11.1.1 單個(gè)微環(huán)
 11.1.2 級聯(lián)微環(huán)
 11.2 微環(huán)諧振器的光學(xué)性質(zhì)
 11.2.1 振幅特性
 11.2.2 相位特性
 11.3 微環(huán)諧振器的設(shè)計(jì)
 11.3.1 波導(dǎo)的設(shè)計(jì)
 11.3.2 耦合器的設(shè)計(jì)
 11.3.3 內(nèi)損耗的估算
 11.4 微環(huán)諧振器的制備與測試
 11.4.1 工藝流程
 11.4.2 電子束光刻
 11.4.3 干法刻蝕工藝
 11.4.4 氧化硅生長技術(shù)
 11.4.5 微環(huán)諧振器的測試
 11.5 SOI微環(huán)諧振器的應(yīng)用
 11.5.1 光濾波器
 11.5.2 非線性光學(xué)器件
 11.5.3 光延時(shí)線與光緩存
 11.6 發(fā)展趨勢
 參考文獻(xiàn)
第12章 硅基光波導(dǎo)開關(guān)陣列
 12.1 硅基光波導(dǎo)開關(guān)的工作原理
 12.2 硅基光波導(dǎo)開關(guān)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
 12.2.1
完全無阻塞型光波導(dǎo)開關(guān)陣列
 12.2.2
重排無阻塞型光波導(dǎo)開關(guān)陣列
 12.2.3 阻塞型光開關(guān)陣列
 12.3 器件參數(shù)與熱光效應(yīng)
 12.4 器件的模擬分析與優(yōu)化
 12.5 硅基光開關(guān)陣列的性能
 12.6 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第13章 硅基陣列波導(dǎo)光柵
 13.1 陣列波導(dǎo)光柵的工作原理
 13.2 AWG的器件參數(shù)和設(shè)計(jì)
 13.3 AWG的計(jì)算機(jī)模擬
 13.4 AWG性能的優(yōu)化
 13.5 AWG的制備
 13.6 AWG的特性和應(yīng)用
 參考文獻(xiàn)
第14章 硅基光耦合器
 14.1 引言
 14.2 模?變換器
 14.2.1 正向楔形模斑變換器
 14.2.2 反向楔形模斑變換器
 14.2.3 狹縫式模斑變換器
 14.3 棱鏡耦合器
 14.3.1 反向棱鏡耦合器
 14.3.2 折射率漸變半透鏡耦合器
 14.4 光柵耦合器
 14.4.1 垂直型光柵耦合器
 14.4.2 水平雙光柵耦合器
 14.5 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第15章 硅基光子晶體
 15.1 引言
 15.2 光子晶體的理論
 15.2.1
基于Bloch理論的平面波展開法
 15.2.2 超元胞方法
 15.2.3 有限時(shí)域差分法
 15.2.4 計(jì)算舉例:負(fù)折射效應(yīng)
 15.3 硅基光子晶體的制備
 15.3.1 三維硅基光子晶體的制備
 15.3.2 二維硅基光子晶體的制備
 15.3.3
二維硅基光子晶體器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用
 15.4 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第16章 硅基光互連
 16.1 引言
 16.2 微電芯片中的互連技術(shù)
 16.2.1 電互連技術(shù)的特點(diǎn)
 16.2.2 光互連的優(yōu)勢
 16.2.3 實(shí)現(xiàn)光互連的方式
 16.3 硅基片上光互連
 16.3.1 硅作為光子學(xué)材料的優(yōu)勢
 16.3.2
硅基光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件
 16.4 片上?互連技術(shù)
 16.4.1 片上光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)
 16.4.2 片上光學(xué)數(shù)據(jù)總線
 16.4.3 片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)
 16.5 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第17章 硅基慢光器件
 17.1 引言
 17.2 慢光基礎(chǔ)
 17.2.1 基本概念
 17.2.2 基于材料色散的慢光
 17.2.3 基于波導(dǎo)色散的慢光
 17.2.4 延遲、帶寬與損耗
 17.3 硅基波導(dǎo)慢光器件
 17.3.1 硅基微環(huán)諧振腔中的慢光
 17.3.2 硅基光子晶體慢光
 17.4 慢光的應(yīng)用
 17.5 結(jié)束語
 參考文獻(xiàn)
第18章 硅基光子集成
 18.1 引言
 18.2 單片硅基光子集成
 18.2.1 硅基光子集成回路
 18.2.2
硅基光子集成模塊及其應(yīng)用
 18.2.3
單片硅基光子集成的發(fā)展方向
 18.3 混合硅基光子集成
 18.3.1 混合集成技術(shù)的主要進(jìn)展
 18.3.2 硅基光子集成的制作因素
 18.4 硅基光子集成的未來
 參考文獻(xiàn)
第19章 硅基太陽能電池
 19.1 太陽能電池工作原理
 19.1.1 半導(dǎo)體pn結(jié)光伏效應(yīng)
 19.1.2
光伏參數(shù)與材料性質(zhì)的關(guān)系
 19.1.3
單帶隙半導(dǎo)體太陽能電池的極限效率
 19.1.4 光伏效應(yīng)的起源
 19.2 晶體硅太陽能電池
 19.2.1 晶體硅電池效率的進(jìn)展
 19.2.2 晶體硅電池的研發(fā)動(dòng)向
 19.3 非晶硅基薄膜太陽能電池
 19.3.1
非晶硅基薄膜材料的結(jié)構(gòu)和電子態(tài)
 19.3.2
非晶硅基薄膜材料的光致變化和抑制途徑
 19.3.3
非晶硅和?晶鍺硅單結(jié)電池
 19.3.4
非晶硅/非晶鍺硅疊層電池
 19.4 微晶硅太陽能電池
 19.4.1 微晶硅及納米硅薄膜材料
 19.4.2 非晶硅/微晶硅疊層電池
 19.5 多晶硅薄膜太陽電池
 19.6 第三代硅基薄膜太陽能電池
 19.6.1 全硅三結(jié)疊層電池
 19.6.2 硅量子點(diǎn)電池
 19.6.3 黑硅電池
 參考文獻(xiàn)
《半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)叢書》已出版書目

章節(jié)摘錄

第1章 引言1。1 信息時(shí)代的前沿學(xué)科——光子學(xué)20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)取得輝煌成就的黃金時(shí)代，無論是物理學(xué)理論還是工程技術(shù)都獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。前50年中，以愛因斯坦相對論為代表的理論研究和居里夫婦的放射性探索為代表的科學(xué)實(shí)驗(yàn)為人類開辟了新的紀(jì)元。后50年中，以集成電路和激光器為代表的技術(shù)發(fā)明徹底地改變了人類社會(huì)的生活方式，人類進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展速度比此前任何時(shí)候都快得多的高速發(fā)展時(shí)期。由愛因斯坦等科學(xué)家創(chuàng)建的電磁學(xué)理論、量子力學(xué)和相對論使人們對物質(zhì)世界的內(nèi)涵有了深刻的理解和認(rèn)識，從而使人類對物質(zhì)世界的利用和改造變得越來越快，引發(fā)了能源技術(shù)、電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域劃時(shí)代的革命性飛躍。集成電路、激光器、計(jì)算機(jī)與光通信的發(fā)展把社會(huì)物質(zhì)文明推進(jìn)到前所未有的高度，為21世紀(jì)的持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)雄厚的基礎(chǔ)。作為信息與能量的載體，電子在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中作出了歷史性的巨大貢獻(xiàn)，科學(xué)家和工程師們常把20世紀(jì)稱為“電子時(shí)代”[1-8]。進(jìn)入21世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)一個(gè)更加絢麗多姿、更加迅速的局面。隨著社會(huì)物質(zhì)文明和精神文明的高度發(fā)達(dá)，人們對社會(huì)信息的需求量、傳輸速率有了更高的要求，“信息”正成為社會(huì)成員之間的交流、各種儀器設(shè)備的自動(dòng)控制、地球上的能源和各種物質(zhì)的利用、外層空間的研究和開發(fā)等社會(huì)和科技活動(dòng)中必不可少的工具，“信息”成了與人人相關(guān)的東西，人們一刻也離不開它，21世紀(jì)是一個(gè)以“信息”為標(biāo)志的世紀(jì)，因此大家稱之為“信息化時(shí)代”。

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