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第1章　引言1

1．1　信息时代的前沿学科——光子学1

1．2　硅电子学的发展和硅光子学的诞生4

1．3　硅光子学——高科技的焦点11

1．4　本书的内容14

参考文献16

第2章　硅锗的材料性质18

2．1　引言18

2．2　Si、Ge的晶体性质19

2．2．1　晶体结构19

2．2．2　晶格常数20

2．2．3　Si1－χGeχ的晶格失配和临界厚度22

2．3　能带结构23

2．3．1　Si的能带结构23

2．3．2　Si1－χGeχ的能带结构25

2．3．3　Si1－χGeχ量子结构和超晶格29

2．4　Si1－χGeχ的电学性质30

2．4．1　Si1－χGeχ的载流子迁移率30

2．4．2　Si1－χGeχ／Si和Si1－χGeχ／Ge中的二维载流子32

2．5　Si1－χGeχ的光学性质34

2．5．1　Si1－χGeχ的折射率34

2．5．2　Si1－χGeχ的吸收系数35

2．5．3　Si1－χGeχ的光荧光谱36

2．5．4　Si1－χGeχ的Raman光谱36

2．6　弛豫Si1－χGeχ合金的物理参数39

27　结束语40

参考文献41

第3章　硅基光子材料的外延生长44

3．1　引言44

3．2　分子束外延技术生长Si1－χGeχ材料45

3．2．1　分子束外延技术简介45

3．2．2　MBE外延生长Si1－χGeχ材料46

3．3　UHV／CVD系统55

3．4　UHV／CVD材料生长动力学57

3．4．1　Si／Si同质结外延57

3．4．2　Si1－χGeχ／Si异质结外延58

3．5　UHV／CVD外延生长Ge、GeSi和SiGeSn60

3．5．1　UHV／CVD生长Ge60

3．5．2　UHV／CVD低温外延生长Si1－χGeχ6161

3．5．3　UHV／CVD外延生长SiGeSn65

3．6　结束语68

参考文献69

第4章　SOI材料的性质及应用72

4．1　引言72

4．2　SOI的制备方法74

4．2．1　键合－背面腐蚀技术74

4．2．2　注氧隔离技术76

4．2．3　注氢智能剥离技术78

4．2．4　注氧键合技术80

4．2．5　S0I制备方法的比较80

4．3　S0I材料的表征技术81

4．3．1　SOI材料的晶体质量82

4．3．2　S0I材料的载流子寿命和表面复合84

4．4　SOI的应用与发展趋势85

4．4．1　SOI CMOS电路86

4．4．2　SOI MOSFET技术87

4．4．3　SOI在微电子领域的应用及市场概况88

4．4．4　S0I技术的发展趋势90

4．4．5　SOI光子集成技术92

参考文献94

第5章　硅基发光材料与器件96

5．1　硅基材料发光机理97

5．1．1　半导体材料发光机理97

5．1．2　硅基掺杂分立发光中心发光机理97

5．2　硅基发光98

5．2．1　硅纳米结构发光98

5．2．2　体硅发光材料与器件101

5．2．3　稀土离子掺杂硅基发光材料与器件104

5．2．4　硅基等电子发光材料与器件106

5．2．5　Ge／Si量子结构及布里渊区折叠107

5．3　结束语108

参考文献108

第6章　硅基光放大器和激光器112

6．1　硅基纳米结构的光增益与激光器112

6．1．1　硅基纳米结构光增益与激射112

6．1．2　局域化硅纳米晶体受限量子结构电注入受激发射113

6．2　硅基掺铒光放大器和激光器115

6．3　硅基拉曼激光器117

6．4　硅基等电子缺陷发光光泵激射器件118

6．5　硅基异质结构混合型激光器119

6．5．1　AlGaInAs／Si混合型激光器119

6．5．2　硅基Si1－χGeχ／Si异质结结构激射器件120

6．5．3　硅锗MOS结构电注入激射器件122

6．6　硅基激光器发展前景123

参考文献125

第7章　硅基量子级联和太赫兹激光器128

7．1　Si／Si1－χGeχ量子级联激光器的能带计算129

7．1．1　K·p方法计算Si／Si1－χGeχ量子阱的空穴能级129

7．1．2　中远红外（太赫兹）Si／Si1－χGeχ量子级联激光器的能带设计133

7．2　Si／Si1－χGeχ量子级联激光器的增益和损耗137

7．2．1　Si／Si1－χGeχ量子级联激光器的增益系数137

7．2．2　Si／Si1－χGeχ量子级联激光器的波导和损耗140

7．3　Si／Si1－χGeχ量子级联结构的外延生长和表征145

7．4　Si／Si1－χGeχ量子级联激光器的光电特性148

7．5　结束语151

参考文献151

第8章　硅基光电探测器153

8．1　硅探测器工作原理153

8．1．1　硅PIN光电二极管153

8．1．2　硅MSM光电二极管154

8．1．3　光电探测器的性能参数154

8．2　Si1－χGeχ垂直结构PIN光电二极管155

8．3　RCE Si1－χGeχ／Si多量子阱光电二极管157

8．3．1　共振腔探测器自洽解析理论157

8．3．2　硅基共振腔的制备162

8．3．3　Si1－χGeχ／Si MQW RCE光电探测器的制备163

8．3．4　RCE探测器的特性163

8．4　Si基Ge光电二极管166

8．4．1　硅基Ge材料外延技术166

8．4．2　Si基Ge探测器168

8．5　硅基Ⅲ-V族化合物光电二极管171

8．6　结束语173

参考文献174

第9章　硅基光波导177

9．1　光波导中的模式177

9．2　脊形波导单模条件181

9．2．1　SOI矩形截面脊形波导的单模条件182

9．2．2　SOI梯形截面脊形波导的单模条件184

9．3　单模条件的计算方法185

9．3．1　束传播法（BPM）185

9．3．2　时域有限差分法（FDTD）188

9．3．3　薄膜匹配法（FMM）190

9．4　光波导的损耗190

9．4．1　截断法190

9．4．2　F-P腔光谱分析法191

9．4．3　傅里叶谱分析方法192

9．5　结束语194

参考文献195

第10章　硅基微纳光波导调制器196

10．1　硅基微纳光波导的模式特性196

10．1．1　硅基一维限制平板波导196

10．1．2　条形波导和脊形波导198

10．2　硅基微纳光波导的损耗201

10．3　硅基微纳光波导的偏振相关性205

10．4　硅基微纳光波导的调制206

10．4．1　光波的调制206

10．4．2　硅的光调制机理208

10．5　硅基微纳光波导调制器的结构214

10．5．1　硅基微纳光波导调制器的电学结构214

10．5．2　硅基微纳光波导调制器的光学结构217

10．6　硅基微纳光波导调制器进展221

10．7　结束语223

参考文献224

第11章　硅基微环谐振器227

11．1　微环谐振器的工作原理227

11．1．1　单个微环227

11．1．2　级联微环229

11．2　微环谐振器的光学性质233

11．2．1　振幅特性234

11．2．2　相位特性238

11．3　微环谐振器的设计241

11．3．1　波导的设计241

11．3．2　耦合器的设计243

11．3．3　内损耗的估算244

11．4　微环谐振器的制备与测试246

11．4．1　工艺流程246

11．4．2　电子束光刻247

11．4．3　干法刻蚀工艺248

11．4．4　氧化硅生长技术249

11．4．5　微环谐振器的测试250

11．5　SOI微环谐振器的应用251

11．5．1　光滤波器252

11．5．2　非线性光学器件256

11．5．3　光延时线与光缓存257

11．6　发展趋势258

参考文献259

第12章　硅基光波导开关阵列262

12．1　硅基光波导开关的工作原理262

12．2　硅基光波导开关阵列的拓扑结构264

12．2．1　完全无阻塞型光波导开关阵列264

12．2．2　重排无阻塞型光波导开关阵列267

12．2．3　阻塞型光开关阵列268

12．3　器件参数与热光效应269

12．4　器件的模拟分析与优化272

12．5　硅基光开关阵列的性能276

12．6　结束语277

参考文献278

第13章　硅基阵列波导光栅282

13．1　阵列波导光栅的工作原理283

13．2　AWG的器件参数和设计286

13．3　AWG的计算机模拟290

13．4　AWG性能的优化294

13．5　AWG的制备306

13．6　AWG的特性和应用308

参考文献312

第14章　硅基光耦合器316

14．1　引言316

14．2　模斑变换器317

14．2．1　正向楔形模斑变换器318

14．2．2　反向楔形模斑变换器320

14．2．3　狭缝式模斑变换器321

14．3　棱镜耦合器322

14．3．1　反向棱镜耦合器322

14．3．2　折射率渐变半透镜耦合器323

14．4　光栅耦合器323

14．4．1　垂直型光栅耦合器324

14．4．2　水平双光栅耦合器330

14．5　结束语331

参考文献332

第15章　硅基光子晶体335

15．1　引言335

15．2　光子晶体的理论336

15．2．1　基于Bloch理论的平面波展开法336

15．2．2　超元胞方法339

15．2．3　有限时域差分法340

15．2．4　计算举例：负折射效应342

15．3　硅基光子晶体的制备344

15．3．1　三维硅基光子晶体的制备344

15．3．2　二维硅基光子晶体的制备345

15．3．3　二维硅基光子晶体器件设计与应用353

15．4　结束语359

参考文献359

第16章　硅基光互连361

16．1　引言361

16．2　微电芯片中的互连技术362

16．2．1　电互连技术的特点362

16．2．2　光互连的优势364

16．2．3　实现光互连的方式365

16．3　硅基片上光互连366

16．3．1　硅作为光子学材料的优势366

16．3．2　硅基光互连系统中的关键器件367

16．4　片上光互连技术370

16．4．1　片上光学时钟网络370

16．4．2　片上光学数据总线372

16．4．3　片上光学网络375

16．5　结束语380

参考文献381

第17章　硅基慢光器件384

17．1　引言384

17．2　慢光基础385

17．2．1　基本概念385

17．2．2　基于材料色散的慢光386

17．2．3　基于波导色散的慢光387

17．2．4　延迟、带宽与损耗389

17．3　硅基波导慢光器件390

17．3．1　硅基微环谐振腔中的慢光391

17．3．2　硅基光子晶体慢光397

17．4　慢光的应用399

17．5　结束语399

参考文献400

第18章　硅基光子集成404

18．1　引言404

18．2　单片硅基光子集成405

18．2．1　硅基光子集成回路406

18．2．2　硅基光子集成模块及其应用409

18．2．3　单片硅基光子集成的发展方向415

18．3　混合硅基光子集成416

18．3．1　混合集成技术的主要进展417

18．3．2　硅基光子集成的制作因素421

18．4　硅基光子集成的未来423

参考文献425

第19章　硅基太阳能电池427

19．1　太阳能电池工作原理427

19．1．1　半导体pn结光伏效应427

19．1．2　光伏参数与材料性质的关系429

19．1．3　单带隙半导体太阳能电池的极限效率431

19．1．4　光伏效应的起源432

19．2　晶体硅太阳能电池433

19．2．1　晶体硅电池效率的进展433

19．2．2　晶体硅电池的研发动向434

19．3　非晶硅基薄膜太阳能电池435

19．3．1　非晶硅基薄膜材料的结构和电子态436

19．3．2　非晶硅基薄膜材料的光致变化和抑制途径437

19．3．3　非晶硅和非晶锗硅单结电池439

19．3．4　非晶硅／非晶锗硅叠层电池440

19．4　微晶硅太阳能电池441

19．4．1　微晶硅及纳米硅薄膜材料441

19．4．2　非晶硅／微晶硅叠层电池442

19．5　多晶硅薄膜太阳电池443

19．6　第三代硅基薄膜太阳能电池444

19．6．1　全硅三结叠层电池444

19．6．2　硅量子点电池445

19．6．3　黑硅电池445

参考文献446

《半导体科学与技术丛书》已出版书目449