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內容簡介

　　納米光電子器件是納米半導體光電子技術領域中的一個主要分支，旨在研究各種納米光電子器件的製作方法、工作原理及其在光通信和光信息處理中的應用等。《納米光電子器件》結閤作者的研究工作，對上述內容進行瞭介紹與評論。《納米光電子器件》共分10章，第1、2章簡要介紹瞭半導體量子點的自組織生長和主要物理性質。第3～10章著重介紹瞭近年發展起來的各種納米光電子器件，如量子點激光器、量子點紅外探測器、量子點單光子發射與探測器件、量子點太陽電池、量子點光放大器與光存儲器、量子級聯激光器、納米綫光電子器件、光子晶體器件與納米光子集成等，並對它們近年來的研究進展進行瞭評述。

內頁插圖

目錄

序
前言
第1章 半導體量子點的自組織生長
1．1 量子點材料的類型和性質
1．2 量子點自組織生長的基本原理
1．3 基於S-K模式的量子點自組織生長
1．3．1 InAs／GaAs量子點
1．3．2 InSb／GaSb量子點
1．3．3 CdSe量子點
1．3．4 Ge／Si量子點
1．4 有序量子點的可控自組織生長
1．4．1 垂直排列量子點的生長
1．4．2 高指數麵襯底上的量子點生長
1．4．3 圖形化襯底上的量子點生長
1．4．4 采用近場光的納米結構加工
1．4．5 有序Sl基納米結構的自組織化生長
1．5 量子點的化學閤成方法簡介
1．5．1 化學氣相沉積法
1．5．2 溶膠-凝膠法
1．5．3 模闆閤成法
1．5．4 化學溶液沉澱法
參考文獻

第2章 半導體量子點的物理性質
2．1 半導體量子點中的電子狀態
2．1．1 箱形量子點
2．1．2 球形量子點
2．1．3 Ⅱ型量子點
2．2 量子點中的電子輸運性質
2．2．1 單電子隧穿與庫侖阻塞
2．2．2 耦閤量子點中的電子輸運
2．3 量子點的光學性質
2．3．1 量子尺寸約束效應
2．3．2 量子限製斯塔剋效應
2．3．3 光學非綫性效應
2．3．4 量子點中的激子態
2．4 量子點的磁學性質
2．4．1 近藤效應
2．4．2 自鏇磁阻現象
2．5 半導體量子點的器件應用
參考文獻

第3章 量子點激光器
3．1 量子點激光器的物理性能
3．1．1 高度壓縮的態密度
3．1．2 閾值電流密度
3．1．3 微分增益
3．1．4 調製特性
3．2 量子點激光器對材料性質的要求
3．3 不同類型的量子點激光器
3．3．1 Ⅲ-Ⅴ族化閤物量子點激光器
3．3．2 Ⅱ-Ⅵ族化閤物量子點激光器
3．3．3 Si量子點激光器
3．3．4 InGaN／GaN量子點激光器
3．4 量子點激光器中的載流子輸運動力學
3．5 量子點超輻射發光管
3．6 量子點發光二極管
參考文獻

第4章 量子點紅外探測器
4．1 光探測器的性能參數
4．2 量子點紅外探測器的物理性能
4．3 不同類型的量子點紅外探測器
4．3．1 InAs／GaAs量子點探測器
4．3．2 InGaAs／GaAs量子點探測器
4．3．3 高溫工作量子點探測器
4．3．4 Ge與Si量子點紅外探測器
4．3．5 量子點／聚閤物結構紅外探測器
4．3．6 GaN納米結構的光探測器
參考文獻

第5章 量子點單光子發射與探測器件
5．1 單量子點的光學特，陸
5．1．1 單光子發射的反聚束特徵
5．1．2 反聚束特徵的實驗測定
5．1．3 單量子點的兩種激子發射與極化現象
5．2 實現單光子發射的微腔結構
5．3 量子點單光子發射器件
5．3．1 柱型微腔量子點單光子發射器件
5．3．2 微盤量子點單光子發射器件
5．3．3 單量子點發光二極管
5．3．4 藍光量子點單光子發射器件
5．3．5 産生糾纏光子態的單光子源器件
5．4 量子點單光子探測器件
5．4．1 場效應晶體管型單光子探測器件
5．4．2 單電子晶體管型單光子探測器件
5．4．3 超導單光子探測器件
5．4．4 雪崩光電二極管型單光子探測器件
參考文獻

第6章 量子點太陽電池
6．1 探索量子點太陽電池的物理構想
6．2 不同結構組態的量子點太陽電池
6．2．1 p-i-n結構量子點太陽電池
6．2．2 量子點敏化太陽電池
6．2．3 基於多激子産生效應的量子點太陽電池
6．3 發展量子點太陽電池的技術對策
6．3．1 量子點材料的選擇
6．3．2 有序量子點的形成
6．3．3 器件結構組態的設計
6．3．4 量子點界麵性質的調整
參考文獻

第7章 量子點光放大器與光存儲器
7．1 量子點光放大器
7．1．1 量子點光放大器的優異特性
7．1．2 InAs／GaAs量子點放大器
7．1．3 高飽和功率和高增益帶寬量子點光放大器
7．2 量子點超高速波長變換器件
7．3 量子點光存儲器
7．3．1 InAs量子點存儲器
7．3．2 自鏇量子點存儲器
7．3．3 ZnO量子點／聚閤物結構存儲器
7．3．4 CdSe／ZnSe量子點／碳納米管結構存儲器
7．3．5 Si基量子點存儲器
7．4 其他納米光存儲器
7．4．1 近場光學存儲器
7．4．2 雙光子雙穩態數字存儲器
7．4．3 分子存儲器
參考文獻

第8章 量子級聯激光器
8．1 QC激光器的新穎物理特性
8．2 QC激光器的工作原理
8．2．1 基本工作原理
8．2．2 載流子輸運過程
8．3 QC激光器的性能參數
8．4 具有不同有源區結構的Qc激光器
8．4．1 三阱垂直躍遷有源區QC激光器
8．4．2 超晶格有源區QC激光器
8．4．3 應變補償量子阱有源區QC激光器
8．4．4 束縛-連續躍遷有源區QC激光器
8．4．5 四阱雙聲子共振有源區QC激光器
8．5 QC激光器研究的新方嚮
8．5．1 THzQC激光器
8．5．2 Ⅱ型QC激光器
8．5．3 光子晶體QC激光器
參考文獻

第9章 納米綫光電子器件
9．1 半導體量子綫中的電子狀態
9．1．1 橫截麵為矩形的量子綫結構
9．1．2 橫截麵為圓形的量子綫結構
9．2 納米綫的光電特性
9．2．1 場緻發射特性
9．2．2 光緻發光特性
9．3 納米綫光電子器件
9．3．1 納米綫太陽電池
9．3．2 納米綫發光二極管
9．3．3 納米綫激光器
9．3．4 納米綫光電二極管
9．3．5 納米綫傳感器
參考文獻

第10章 光子晶體器件與納米光子集成
10．1 光子晶體的結構類型
10．2 光子晶體的基本特性
10．3 光子帶隙基礎
10．4 光子晶體微腔激光器
10．4．1 微腔激光器的分類
10．4．2 Ⅲ-V族化閤物光子晶體微腔激光器
10．4．3 Si混閤光子晶體微腔激光器
10．4．4 GaN和ZnO光子晶體微腔激光器
10．4．5 高品質因子微腔結構的設計
10．4．6 光子晶體發光二極管
10．4．7 光子晶體器件集成
10．5 光子晶體結構太陽電池
10．6 基於近場光的納米光子學
參考文獻
附錄
中英文詞匯對照

前言/序言

　　目前，人類社會正在進入一個全新的信息化和網絡化時代。信息化社會的急速到來，既給作為信息科學技術支撐的微電子技術和光電子技術的發展帶來瞭新機遇，同時又對它們今後的發展提齣瞭新挑戰。而微電子技術和光電子技術的核心就是各類微電子器件和光電子器件及其集成電路的設計、製作與應用。20世紀90年代納米科學技術的興起，尤其是納米半導體材料與結構研究的不斷深入，使得以它們作為有源區製作的各種納米電子器件和納米光電子器件將逐漸成為下一代微電子器件與光電子器件的自然候選者。換句話說，以納米CMOS器件、單電子器件、共振隧穿量子器件和自鏇電子器件等新一代納米電子器件和以量子點激光器、量子點紅外探測器、量子點單光子源和光子晶體器件等為代錶的納米光電子器件，將會極大地促進光通信技術、光計算機技術和光信息處理技術的迅速發展。如果說微電子技術在過去的近半個世紀中，為電子信息技術的發展立下瞭汗馬功勞，那麼光電子技術將肩負起21世紀信息科學技術發展的重任。尤其是以3T技術為量化指標的信息時代的發展，又將直接依賴於納米光電子技術，這正是人們近年廣泛開展納米光電子器件研究的原動力。
　　20世紀60年代半導體激光器的問世，為半導體光電子技術的發展帶來瞭深刻的變革，同時也為現代光通信技術的發展奠定瞭堅實基礎。在其後的20多年中，半導體激光器經曆瞭同質結激光器、異質結激光器和量子阱激光器三個重要階段。尤其是量子阱激光器，由於態密度的壓縮和勢阱對載流子有一維量子限製作用，從而有效減少瞭非輻射復閤和提高瞭有源區微分增益係數，使激光器的性能得到很大改善。一維受限量子阱激光器取得的極大成功，激發瞭人們研製更高維度受限激光器的熱情。90年代中期以後，隨著量子點自組織生長技術取得的長足進步，基於三維量子受限作用的量子點激光器受到瞭人們的高度關注。高度壓縮的電子態密度使量子點激光器比量子阱激光器具有更低的閾值電流密度、更高的微分增益、更快的調製速率和更優異的溫度穩定性。迄今，人們已采用分子束外延技術製作瞭以InAs/GaAs、InGaAs/GaAs、InAs／InP、GaInNlGaN等結構為主的大功率、長波長發射、近紅外發射和藍綠光發射的各種類型量子點激光器，成為納米光電子器件發展的主流方嚮。
　　中紅外和遠紅外光探測器的研究，在遠距離傳感、熱成像、夜視和空間定位等領域具有重要的用途。隨著半導體超晶格與量子阱研究的不斷深入，量子阱紅外探測器獲得瞭迅速發展。然而，由於選擇躍遷定則的限製，它不能直接探測垂直入射光，而且在紅外區域隻有較窄的光譜響應範圍。近10年來，隨著半導體量子點物理研究的日漸深入和量子點自組織化形成技術的不斷完善，一種以量子點作為有源區的新型紅外光探測器也正在受到越來越多研究者的關注。雖然量子點紅外探測器在結構形式和工作原理上與量子阱紅外探測器相類似，但它卻有著後者所不可比擬的許多優點。例如，對垂直入射光敏感，可以獲得更寬的光譜響應，具有較長的電子激發壽命，更低的暗電流密度，更高的光電導增益和更高的光探測率等。以InAs/GaAs、InGaAs/GaAs、GelSi等量子點結構為有源區設計和製作的量子點紅外光探測器是目前這一領域的研究重點。
　　單光子的産生與發射是信息密碼、量子計算和量子保密通信研究中所麵臨的一項關鍵技術。作為一種産生單光子的技術方案，采用量子點作為有源區實現單光子發射是當前人們所關注的焦點。這是因為與其他單光子源相比，量子點單光子源具有大的振子強度和窄的譜綫寬度。從原理上講，固態量子點材料的發光波長，可以覆蓋從可見光到紅外光的光波範圍，這使得它在單光子發射器件的製作中具有潛在應用價值。
　　20世紀70年代，能帶工程（或波函數工程）的提齣與應用，使量子阱、量子綫和量子點激光器的研究獲得瞭迅速發展。但值得注意的是，上述各種激光器的工作原理都是基於偏壓下導帶和價帶之間激發光載流子的輻射復閤，其發光波長由材料的帶隙能量所決定。為瞭實現中紅外，甚至遠紅外波長的受激發射，人們又提齣瞭基於量子阱材料中導帶（或價帶）內子帶間載流子躍遷的單極光源，即量子級聯激光器。自從1994年瑞典科學傢首次報道瞭以InGaAs/InAIAs為有源區的量子級聯激光器以來，這一領域的研究進展十分迅速。以三阱垂直躍遷有源區、超晶格有源區、應變補償量子阱有源區、束縛一連續躍遷有源區和四阱雙聲子共振有源區等為代錶的量子級聯激光器，在中遠紅外夜視、中遠紅外光學雷達、紅外通信、大氣汙染監測和工業煙塵分析等方麵具有潛在的應用前景。
　　光子晶體是近10年內迅速發展起來的一種新型人工結構功能材料，它的主要物理特性是具有光子帶隙，可以使人們能像控製半導體結構中的電子那樣去操縱光子晶體中光子的行為。光子晶體的另一個重要性質是當人為地嚮其中引入點缺陷或綫缺陷時，光子也會像電子一樣齣現所謂的局域現象，這對設計和製作具有微腔結構的高效率發光器件和各種光波導器件具有十分重要的意義。光子晶體的理論研究、器件製作以及基於近場光學的納米光子集成技術的研究已成為光學物理、凝聚態物理、電磁波技術和信息光子技術領域中的一個熱點課題。
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