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绪论1

0.1 半导体发展历史上的几个里程碑1

0.2 半导体技术的应用1

0.3 我国的半导体产业发展现状3

0.4 半导体科学技术的未来发展3

参考文献6

第1章 半导体硅材料7

1.1 硅材料的历史和发展8

1.2 集成电路用硅材料11

1.2.1 集成电路用直拉硅单晶11

1.2.2 大直径硅单晶的晶体生长12

1.2.3 大直径硅单晶的缺陷工程15

1.2.4 大直径硅单晶的外延20

1.2.5 SOI和应变硅材料21

1.3 太阳电池用硅材料21

1.3.1 太阳电池用硅材料的研究21

1.3.2 太阳能级多晶硅24

1.3.3 太阳电池用铸造多晶硅25

1.3.4 太阳电池用非晶硅薄膜27

1.3.5 太阳电池用多晶硅薄膜30

1.3.6 太阳电池用带硅材料33

1.4 光电子用硅材料35

1.4.1 硅晶体位错发光35

1.4.2 多孔硅发光37

1.4.3 硅基纳米硅发光39

1.4.4 纳米硅丝／硅管41

参考文献43

第2章 宽禁带半导体光电子器件45

2.1 发光二极管46

2.1.1 Ⅲ族氮化物LED46

2.1.2 ZnO基LED51

2.2 激光二极管53

2.2.1 法布里-珀罗（F-P）型激光器53

2.2.2 分布反馈Ⅲ族氮化物半导体激光器57

2.2.3 垂直腔面发射Ⅲ族氮化物半导体激光器58

2.3 半导体白光照明59

2.3.1 发展半导体白光照明的意义59

2.3.2 Ⅲ族氮化物LED白光照明的技术途径60

2.3.3 LED白光照明技术发展动向64

2.3.4 Ⅲ族氮化物白光照明材料发展概况65

2.4 固态紫光光源66

2.4.1 紫光LED研究进展67

2.4.2 紫光LED材料面临的几个科学技术问题68

参考文献71

第3章 宽禁带半导体电子器件74

3.1 导言74

3.2 GaN材料的研究进展75

3.2.1 GaN材料的制备75

3.2.2 GaN材料的缺陷77

3.2.3 Ⅲ族氮化物的极化效应78

3.2.4 GaN基异质结80

3.3 GaN基HEMT器件81

3.3.1 GaN基HEMT器件的目标特性81

3.3.2 GaN基HEMT的电流崩塌现象83

3.3.3 热处理84

3.3.4 槽栅、表面处理和场板85

3.3.5 纵向层式结构设计87

3.3.6 蓝宝石或SiC衬底上GaN基HEMT的最高性能水平89

3.3.7 Si衬底上的GaN基HEMT94

3.3.8 增强型HEMT95

3.4 其他GaN基电子器件97

3.4.1 GaN基MISHFET97

3.4.2 GaN基HBT99

3.5 SiC材料与电子器件100

3.5.1 SiC材料的制备100

3.5.2 SiC材料的缺陷101

3.5.3 SiC基器件工艺102

3.5.4 SiC基二极管和整流器103

3.5.5 SiC基金属-氧化物-半导体场效应管105

3.5.6 SiC基结型场效应管（JFET）和肖特基栅场效应管（MESFET）107

3.5.7 SiC基双极结型晶体管（BJT）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）109

参考文献110

第4章 红外半导体材料和器件116

4.1 红外半导体激光材料和激光器的进展简介116

4.2 近红外边发射半导体激光材料和器件117

4.2.1 808 nm短波长AlGaAs/GaAs异质结激光器材料和器件118

4.2.2 1.3～1.55 μm长波长InP基激光器材料和器件118

4.2.3 980nm InGaAs/GaAs应变量子阱激光器材料119

4.3 近红外垂直面发射半导体激光器材料和器件120

4.3.1 近红外垂直面发射半导体激光器结构和材料121

4.3.2 近红外垂直腔面发射激光器材料和器件123

4.4 中红外带间跃迁半导体异质结量子阱激光材料和器件126

4.4.1 2.0μm InP基InGaAs/InGaAsP应变补偿量子阱激光器材料和器件126

4.4.2 Ⅳ-Ⅵ族铅盐化合物中远红外量子阱激光器材料和器件127

4.4.3 2～5 μm GaSb基锑化物量子阱激光器材料和器件129

4.5 GaSb基带间级联激光器材料和器件131

4.6 中远红外InP基量子级联激光器材料和器件133

4.6.1 带内子带间光跃迁激射理论134

4.6.2 InP基室温连续和室温大功率多模量子级联激光器136

4.6.3 InP基中红外短波端（λ≈3～6 μm）多模应变补偿量子级联激光器137

4.6.4 中红外InP基单模量子级联分布反馈激光器140

4.6.5 InP基中红外长波端和远红外波段量子级联激光器142

4.7 中、远红外GaAs基量子级联激光器材料和器件143

4.7.1 GaAs基中红外量子级联激光器143

4.7.2 GaAs基远红外量子级联激光器144

4.8 小结和展望147

参考文献149

第5章 低维半导体材料和器件158

5.1 导言158

5.2 低维半导体材料的发展概况158

5.3 低维半导体材料的制备技术162

5.4 半导体激光器和发光管165

5.4.1 边发射激光器166

5.4.2 量子阱激光器167

5.4.3 量子点、量子线激光器168

5.4.4 垂直腔面发射激光器172

5.4.5 量子级联激光器175

5.4.6 微腔激光器178

5.4.7 超辐射发光管181

5.5 半导体红外光探测器183

5.6 超高频微电子器件185

5.6.1 高电子迁移率晶体管HEMT186

5.6.2 异质结双极晶体管HBT188

5.6.3 共振隧穿器件192

5.6.4 三端弹道输运器件193

5.7 单电子器件194

5.7.1 单电子晶体管195

5.7.2 单电子存储器197

5.8 存在的问题及发展趋势198

参考文献201

第6章 射频系统与射频集成电路设计204

6.1 导言204

6.2 射频定义204

6.3 射频通信系统205

6.3.1 数字无线电广播205

6.3.2 数字电视207

6.3.3 射频识别RFID208

6.3.4 卫星定位系统209

6.3.5 移动通信系统210

6.3.6 无线局域网与无线城域网211

6.3.7 微波通信与卫星通信212

6.3.8 雷达系统213

6.4 射频系统组成215

6.4.1 射频发射机组成215

6.4.2 直接解调式接收机结构216

6.4.3 超外差结构216

6.5 射频集成电路设计专用知识217

6.5.1 传输线效应218

6.5.2 史密斯圆图及其应用219

6.5.3 S参数221

6.6 射频IC工艺221

6.6.1 单质与异质双极结型晶体管工艺221

6.6.2 射频CMOS工艺222

6.6.3 GaAs MESFET与HEMT工艺223

6.7 射频IC设计工程225

6.8 主要射频IC设计227

6.9 小结236

参考文献237

第7章 功率半导体器件与功率集成电路238

7.1 功率半导体器件的定义与发展简史238

7.2 功率二极管和功率开关器件239

7.2.1 功率二极管239

7.2.2 功率双极型开关器件241

7.2.3 功率MOS器件243

7.2.4 Super Junction结构244

7.2.5 IGBT和MCT250

7.2.6 SiC功率开／关器件251

7.3 功率集成电路与集成功率模块252

7.3.1 功率集成电路252

7.3.2 RESURF理论254

7.3.3 SOI高压集成技术255

7.3.4 BCD工艺技术及功率封装技术257

7.3.5 智能功率模块260

参考文献260

第8章 太阳电池267

8.1 导言267

8.2 太阳电池工作原理和效率268

8.3 晶体硅太阳电池268

8.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池271

8.4.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的特点和发展历史271

8.4.2 单结GaAs太阳电池273

8.4.3 单结GaAs/Ge异质结太阳电池274

8.4.4 多结叠层Ⅲ-Ⅴ族太阳电池275

8.4.5 GaAs聚光太阳电池278

8.4.6 超薄型Ⅲ-Ⅴ族太阳电池278

8.4.7 Ⅲ-Ⅴ族量子阱太阳电池280

8.5 硅基薄膜太阳电池282

8.5.1 非晶硅基薄膜的制备和基本性质282

8.5.2 非晶硅的光致变化及其抑制途径284

8.5.3 微晶硅和纳米硅薄膜285

8.5.4 非晶硅单结太阳电池285

8.5.5 非晶硅／非晶锗硅叠层太阳电池286

8.5.6 非晶硅／微晶硅叠层太阳电池287

8.5.7 多晶硅薄膜太阳电池289

8.6 其他薄膜太阳电池简介291

8.6.1 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池291

8.6.2 碲化镉薄膜太阳电池294

8.6.3 染料敏化太阳电池296

8.7 第三代太阳电池299

8.8 展望302

参考文献303

第9章 微光刻与微纳米加工技术306

9.1 微光刻与微／纳米加工技术简介306

9.1.1 微电子技术的关键工艺技术306

9.1.2 微光刻与微／纳米加工技术面临的挑战与需要解决的关键技术问题307

9.2 微光刻图形设计与数据处理技术的研究311

9.2.1 计算机辅助设计技术311

9.2.2 微光刻图形设计及数据格式转换体系的研究312

9.3 光学光刻分辨率增强技术的研究317

9.3.1 移相掩模制造技术及应用技术研究318

9.3.2 光学邻近效应校正掩模制造技术及应用技术研究320

9.3.3 可制造性设计技术研究321

9.4 电子束曝光技术的研究323

9.4.1 电子束曝光模拟与电子束邻近效应校正技术研究326

9.4.2 光学光刻系统和电子束光刻系统之间的匹配与混合光刻技术的研究328

9.5 刻蚀技术研究328

9.5.1 湿法腐蚀技术329

9.5.2 干法刻蚀技术330

9.5.3 反应离子刻蚀技术332

9.5.4 感应耦合等离子刻蚀技术332

9.6 下一代光刻技术与掩模制造技术的研究333

9.6.1 X射线光刻技术及掩模制造技术333

9.6.2 极紫外投影光刻技术及掩模制造技术335

9.6.3 散射角限制的投影电子束曝光技术及掩模制造技术337

9.6.4 可变轴浸没透镜电子束投影微缩曝光技术338

9.6.5 聚焦离子束加工技术338

9.7 纳米器件和纳米结构图形加工技术的研究341

9.7.1 亚50nm CMOS器件研究341

9.7.2 纳米压印光刻技术研究343

9.8 小结346

参考文献347

第10章 微电子与光电子集成351

10.1 光发射器件技术352

10.1.1 硅基光发射二极管352

10.1.2 硅基半导体激光器357

10.2 光电探测器技术358

10.2.1 半导体光电探测器的基本结构358

10.2.2 基于硅基双极型工艺的光电探测器360

10.2.3 基于硅基CMOS工艺的集成光电探测器363

10.3 光波导集成技术370

10.3.1 半导体光波导基本结构370

10.3.2 半导体光波导的应用374

10.4 硅基光电子集成回路378

10.4.1 硅基光电子集成回路简介379

10.4.2 集成硅基光发射器380

10.4.3 集成硅基光波导382

10.4.4 集成硅基光电接收机385

10.5 小结388

参考文献388

第11章 半导体的检测与分析391

11.1 科学内容392

11.1.1 体单晶392

11.1.2 薄膜397

11.1.3 器件工艺402

11.1.4 超晶格、量子阱、量子线、量子点、纳米材料404

11.2 实验技术406

11.2.1 电学表征407

11.2.2 光学表征409

11.2.3 X射线衍射表征413

11.2.4 离子束技术415

11.2.5 电子束显微学416

11.2.6 俄歇电子谱、X射线光电子谱417

11.2.7 扫描探针显微学（SPM）418

11.2.8 其他表征实验技术418

11.3 展望与建议419

11.3.1 展望419

11.3.2 建议420

参考文献420

第12章 高速光电子器件测试与封装422

12.1 高速半导体光电子器件的封装设计422

12.1.1 半导体光电子器件的封装形式422

12.1.2 高速光电子器件的微波封装设计424

12.1.3 高速半导体光电子器件封装设计的发展方向425

12.2 小信号频率响应测试方法426

12.2.1 微波矢量网络分析仪扫频测试法426

12.2.2 光外差测试法428

12.2.3 小信号功率测试法430

12.2.4 小信号频率响应测试的发展趋势432

12.3 高速光电子器件的大信号响应测试433

12.3.1 眼图测试分析433

12.3.2 误码率测试分析435

12.3.3 低误码率的测算436

12.3.4 大信号响应测试的发展趋势437

12.4 高速光电子器件的等效电路模型438

12.4.1 等效电路模型的发展历程438

12.4.2 激光器的等效电路模型440

12.4.3 光探测器的等效电路模型442

12.4.4 电吸收调制器的等效电路模型443

12.4.5 光电子器件等效电路的特点与发展趋势443

12.5 光谱与频谱分析技术444

12.5.1 借助于电域测量获得光电子器件的光域特性444

12.5.2 借助于光域测量获得光电子器件的电域特性446

12.5.3 微波光电测量技术的发展趋势448

12.6 小结448

参考文献449

第13章 新型硅基半导体器件455

13.1 超薄体SOI MOS器件456

13.2 体硅和SOI应变沟道MOS器件459

13.2.1 体硅应变沟道MOS器件459

13.2.2 SOI应变沟道MOS器件461

13.3 SOV/SON MOS器件462

13.3.1 SOV MOS器件463

13.3.2 SON MOS器件464

13.4 新型准SOI器件466

13.5 双栅器件468

13.5.1 垂直双栅器件469

13.5.2 FINFET器件469

13.6 多栅SOI MOS器件472

13.6.1 Pi栅MOS器件473

13.6.2 Ω栅MOS器件474

参考文献476

第14章 薄膜微电子学480

14.1 导言480

14.1.1 薄膜微电子学发展历程480

14.1.2 薄膜微电子学的意义481

14.1.3 薄膜微电子学的广阔之路482

14.2 硅基薄膜材料483

14.2.1 非晶硅483

14.2.2 氢化非晶硅的亚稳特性485

14.2.3 纳米晶和微晶硅486

14.2.4 多晶硅488

14.3 硅基薄膜晶体管492

14.3.1 非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）492

14.3.2 a-Si∶H TFT阈值电压的亚稳特性496

14.3.3 多晶硅薄膜晶体管（poly-Si TFT）498

14.4 硅基薄膜集成电子学500

14.4.1 AMLCD的像素电路和驱动电路501

14.4.2 AMOLED的像素电路503

14.4.3 多晶硅TFT的显示驱动集成电路504

14.5 广义的薄膜微电子学508

14.5.1 柔性电子学509

14.5.2 有机电子学510

14.5.3 透明电子学514

14.6 结语：非硅衬底上的SOC——代工之路516

参考文献517

第15章 有机电子学524

15.1 导言524

15.2 有机薄膜晶体管发展概况524

15.3 有机半导体导电机制527

15.4 有机薄膜晶体管工作原理528

15.5 有机电子材料531

15.5.1 p型有机半导体材料531

15.5.2 n型有机半导体材料537

15.5.3 栅绝缘材料539

15.5.4 电极材料544

15.6 有机薄膜晶体管结构546

15.7 有机薄膜晶体管应用举例548

15.7.1 有机双极型晶体管548

15.7.2 有机晶体管在发光器件上的应用549

15.7.3 晶体管结构的有机存储器551

15.8 小结和展望552

参考文献552

第16章 纳米电子学555

16.1 半导体低维结构的制备技术555

16.1.1 纳米晶体制备技术555

16.1.2 纳米晶线制备技术558

16.1.3 S-K自组织生长560

16.1.4 刻蚀技术562

16.1.5 自组装方法564

16.2 碳纳米管器件566

16.2.1 碳纳米管的场效应管566

16.2.2 碳纳米管场发射器件569

16.3 硅发光器件570

16.3.1 硅基纳米结构的制备570

16.3.2 发光机制研究571

16.3.3 硅发光器件的发展572

16.3.4 硅基激光器574

16.4 纳米晶体器件575

16.4.1 纳米晶体发光管（LED）575

16.4.2 纳米线激光器578

16.4.3 纳米晶体的非线性光学性质579

16.5 S-K方法制备的自组织量子点器件580

16.5.1 量子点单光子源580

16.5.2 单光子探测器583

16.5.3 光存储器件583

16.5.4 量子点激光器585

16.6 分子电子学（交叉科学）586

参考文献587

第17章 低维半导体量子相干和调控589

17.1 导言589

17.2 相干性的定义及其他590

17.2.1 光激发的相干过程591

17.2.2 叠加量子态的相干演化过程591

17.2.3 空间域中的相干过程591

17.2.4 时间域中的相干过程591

17.2.5 自旋相干过程591

17.3 量子拍频592

17.3.1 电子自旋的量子拍频592

17.3.2 二维激子的自旋量子拍频592

17.3.3 相互作用激子的拉曼量子拍频593

17.3.4 量子点中电子相干叠加态的量子拍频594

17.4 波函数工程——叠加量子态的相干操作、纠缠594

17.4.1 单量子点量子态的光学相干操作595

17.4.2 单量子点中不同磁激子态之间光激发诱导的量子纠缠595

17.4.3 用量子点产生纠缠光子对597

17.4.4 用量子点十字转门产生和探测电子纠缠对598

17.5小结598

参考文献599

第18章 半导体自旋电子学601

18.1 导言601

18.2 稀释磁性半导体的磁性602

18.3 自旋注入606

18.3.1 自旋的光注入609

18.3.2 自旋的电注入609

18.3.3 自旋极化的探测612

18.3.4 自旋极化的弛豫612

18.4 自旋操控613

18.5 高居里温度稀磁半导体材料616

18.5.1 (Ga,Mn)P617

18.5.2 (Ga,Mn)N618

18.5.3 (Zn,Mn)O619

18.6 小结620

参考文献621

第19章 微纳传感与光机电器件及系统628

19.1 导言628

19.2 微纳系统技术的发展历史630

19.2.1 从微传感器起步631

19.2.2 开拓新的领域632

19.2.3 进入纳米尺度634

19.3 微纳系统技术发展的国内外现状635

19.3.1 传感器635

19.3.2 光MEMS638

19.3.3 信息MEMS638

19.3.4 生物MEMS640

19.3.5 NEMS642

19.4 科学内容644

19.4.1 设计技术644

19.4.2 制造技术645

19.4.3 器件和系统647

19.5 发展趋势649

参考文献650

第20章 大功率半导体激光器655

20.1 导言655

20.2 大功率半导体激光器关键技术655

20.2.1 量子阱激光器外延结构的优化设计656

20.2.2 大功率激光器列阵激光巴条优化设计656

20.2.3 腔面镀膜技术656

20.2.4 低阻欧姆接触工艺技术657

20.2.5 大功率半导体激光器封装技术657

20.2.6 大功率半导体激光器热管理技术658

20.3 大功率边发射半导体激光器的进展659

20.3.1 大功率半导体激光器的功率特性659

20.3.2 大功率半导体激光器的效率661

20.3.3 大功率半导体激光器的光谱特性663

20.3.4 大功率半导体激光器的可靠性664

20.3.5 大功率半导体激光器的价格趋势665

20.4 大功率垂直腔面发射激光器进展666

20.4.1 红光VCSEL666

20.4.2 蓝光VCSEL667

20.4.3 980nm InGaAs/GaAs系列VCSEL668

20.4.4 垂直外腔面发射激光器668

20.4.5 VCSEL的前景669

20.5 大功率半导体激光器应用670

20.5.1 大功率半导体激光器在激光加工中的应用670

20.5.2 大功率半导体激光器在激光显示中的应用672

20.5.3 大功率半导体激光器在激光医疗中的应用673

20.5.4 大功率半导体激光器在军事上的应用673

参考文献676

附录 主要作者简介677