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LED 46
2.1.2 ZnO基LED 51
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HEMT 94
3.3.8 增强型HEMT 95
3.4 其他GaN基电子器件 97
3.4.1 GaN基MISHFET 97
3.4.2 GaN基HBT 99
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HEMT 186
5.6.2 异质结双极晶体管HBT 188
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RFID 208
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MCT 250
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)P 617
18.5.2 (Ga,Mn)N 618
18.5.3 (Zn,Mn)O 619
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MEMS 638
19.3.3 信息MEMS 638
19.3.4 生物MEMS 640
19.3.5 NEMS 642
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VCSEL 666
20.4.2 蓝光VCSEL 667
20.4.3 980nm InGaAs/GaAs系列VCSEL 668
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