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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SiGeSn 60

3．5．1　UHV／CVD生长Ge 60

3．5．2　UHV／CVD低温外延生长Si1－χGeχ61 61

3．5．3　UHV／CVD外延生长SiGeSn 65

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