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绪论 1

参考文献 7

第一章　Si基纳米材料的结构性质 8

1.1 Si基纳米材料的结构类型 8

1.1.1 镶嵌在SiOx膜层中的nc-Si 9

1.1.2 nc-Si/SiO2超晶格 9

1.1.3 Si或Ge纳米量子点 10

1.1.4 Ge/Si量子点异质结 11

1.1.5 Ge/Si纳米量子线与量子环 12

1.1.6　超小结构尺寸的Si纳米团簇 13

1.1.7 掺稀土元素Er的nc-Si:Er3+/SiO2薄膜 14

1.2　半导体量子点的电子结构 15

1.2.1 箱形量子点 15

1.2.2　球形量子点 17

1.2.3 Ⅱ型量子点 20

1.3　各种Si基纳米结构的电子性质 23

1.3.1 晶体Si的能带结构 23

1.3.2 Si纳米晶粒 25

1.3.3　超小尺寸Si纳米团簇 30

1.3.4 SiO2/Si薄层及其超晶格结构 33

1.3.5 Ge/Si量子点及其多层异质结构 34

参考文献 37

第二章　Si基纳米薄膜的制备方法 40

2.1　等离子体化学气相沉积 40

2.1.1 高H2稀释SiH4的PECVD生长 41

2.1.2 nc-Si的PECVD生长与后退火处理 44

2.2　低压化学气相沉积 46

2.2.1 Si-OH终端SiO2表面上Si纳米量子点生长 46

2.2.2 LPCVD生长Si纳米量子点的沉积机理 50

2.3　激光烧蚀沉积 51

2.3.1 nc-Si膜的脉冲激光烧蚀沉积 52

2.3.2 α-Si膜的脉冲激光退火晶化 55

2.4　分子束外延与超高真空化学气相沉积 58

2.4.1 基于S-K模式的量子点生长 58

2.4.2 Ge/Si量子点的UHV-CVD生长 60

2.5 SiO2层中的高剂量Si离子注入 63

2.6　非晶SiO2层的高能电子辐照 65

参考文献 67

第三章　有序Si基纳米材料的自组织生长 69

3.1 晶粒有序Si基纳米材料的结构特点 69

3.2　有序Si基纳米发光材料的自组织化生长 71

3.2.1 通过控制纳米结构成核位置的生长 72

3.2.2　通过控制纳米结构成核过程的生长 81

3.3　有序Si基纳米材料的其他制备方法 88

3.3.1　利用掩蔽图形衬底的纳米结构生长 88

3.3.2 利用扫描探针显微技术的表面纳米加工 89

3.3.3　利用全息光刻技术的纳米图形制备 90

3.3.4 利用激光定域晶化的有序纳米阵列 90

参考文献 92

第四章　Si纳米线的光电特性与制备方法 95

4.1 Si纳米线的光电特性 95

4.1.1　场致发射特性 95

4.1.2 电子输运特性 97

4.1.3　光致发光特性 99

4.2 Si纳米线的制备方法 101

4.2.1 Si纳米线的金属催化生长 102

4.2.2 Si纳米线的氧化物辅助生长 111

参考文献 114

第五章　Si基光子晶体的制备技术 117

5.1　光子晶体的结构类型 118

5.2　光子晶体的基本特性 119

5.2.1 光子带隙特性 119

5.2.2　光子局域特性 119

5.2.3　有效折射率效应 120

5.2.4 自发辐射速率增强效应 120

5.3 Si基光子晶体的制备方法 120

5.3.1　精细干式刻蚀法 122

5.3.2　胶质晶体模板法 124

5.3.3 宏观多孔Si的光电化学腐蚀法 125

5.3.4 多光子聚合法 128

5.3.5　核-壳结构纳米晶粒镶嵌法 129

5.3.6 混合Si基光子晶体的制备 130

参考文献 130

第六章　Si基纳米薄膜材料的发光特性 133

6.1　半导体的光发射 134

6.1.1　辐射复合与非辐射复合 134

6.1.2 自发辐射与受激辐射 136

6.1.3　发光效率 137

6.2　量子限制效应发光 138

6.2.1 量子限制效应发光的物理描述 138

6.2.2 Si晶粒尺寸分布对光致发光特性的影响 140

6.2.3　镶嵌在SiO2层中Si纳米晶粒的发光 141

6.2.4 Si/SiO2超晶格的发光 146

6.2.5 Ge纳米晶粒的发光 148

6.3　与氧相关的缺陷发光 150

6.3.1 与氧相关的缺陷及其电子性质 150

6.3.2 Si氧化物材料的发光 153

6.3.3　镶嵌在SiO2层中的Ge纳米晶粒发光 156

6.3.4　镶嵌在SiO2层中的Si纳米晶粒的发光 159

6.4　量子限制效应-界面发光中心复合发光 161

6.4.1 nc-Si/SiO2界面的局域表面态及其电子性质 161

6.4.2 Si/SiO2超晶格的电致发光 162

6.4.3 Si/SiO2超晶格的光致发光 166

6.5 Er掺杂的Si基纳米材料的发光 169

6.5.1 nc-Si→Er3+之间的能量转移过程 170

6.5.2 提高nc-Si:Er3+/SiO2薄膜发光效率的途径 173

参考文献 179

第七章　Si基光发射器件 184

7.1 Si基发光二极管 184

7.1.1　半导体发光二极管的工作特性 185

7.1.2 采用nc-Si作为有源区的Si-LED 186

7.1.3 采用表面构型单晶Si作为有源区的Si-LED 189

7.1.4 采用Si基超晶格结构作为有源区的Si-LED 191

7.1.5 采用Si基光子晶体作为有源区的Si-LED 193

7.2 Si基激光器 195

7.2.1 Si基纳米材料的光增益特性 196

7.2.2 Si基纳米材料的受激光发射特性 199

7.2.3 高度局域化Si纳米结构激光器 200

7.2.4 SiGe/Si量子级联结构激光器 202

7.2.5　连续波拉曼Si激光器 203

7.2.6 InP-Si混合型激光器 205

7.2.7 Si基光子晶体微腔结构激光器 207

参考文献 208

第八章　Si基光接收器件 211

8.1 Si基光探测器 211

8.1.1 光电探测器的性能参数 211

8.1.2 半导体光电探测器的结构类型 213

8.1.3 GexSi1－x超晶格与量子阱型Si基光探测器 214

8.1.4　共振增强型SiGe/Si光探测器 216

8.1.5 自组织Ge/Si量子点型Si基光探测器 218

8.1.6 MOS隧穿结构Si基光探测器 219

8.1.7 Ge p-i-n型光探测器 220

8.1.8　微结构Si光探测器 220

8.2 Si基太阳电池 221

8.2.1 p-n结太阳电池的结构与特性 222

8.2.2 Si基薄膜太阳电池 223

8.2.3　第三代Si基太阳电池 229

参考文献 232

第九章　Si基光调制器件 235

9.1 Si基光波导的分类 235

9.1.1 Si基平面光波导 235

9.1.2　脊形光波导 236

9.1.3 SOI光波导 236

9.1.4　光子晶体光波导 238

9.2 SOI光波导的制备工艺 238

9.3 Si基光调制器件 240

9.3.1 电荷感应Si-MOS光调制器 240

9.3.2　微米尺度环型共振结构光调制器 241

9.3.3 F-P腔结构光调制器 242

9.3.4　光子晶体结构光调制器 243

9.3.5 BN-FET型光调制器 244

9.3.6 p-i-n结构Si基光开关 245

9.3.7 热-光型SOI波导开关 246

9.3.8 电-光型M-Z型波导电-光开关 246

9.3.9　场效应波长调制器 247

参考文献 248

第十章　Si基光电子集成 250

10.1 Si-OEIC的回路构成 251

10.2 Si-OEIC的制作工艺 252

10.3 Si基光电子集成电路 253

10.3.1 Si基单片光集成电路的制作 253

10.3.2　光发射器件与光波导的集成 255

10.3.3　光探测器与光波导的集成 259

10.3.4　无源光波导器件的集成 264

参考文献 268

主题索引 271