半導(dǎo)體納米器件：物理、技術(shù)和應(yīng)用

隨著先進(jìn)的集成電路工藝節(jié)點(diǎn)不斷向納米級(jí)推進(jìn)，對(duì)半導(dǎo)體納米器件的研究就顯得越發(fā)重要。本書(shū)詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體納米器件的物理學(xué)原理、結(jié)構(gòu)、制造工藝及應(yīng)用等內(nèi)容。開(kāi)篇介紹了這一研究領(lǐng)域在過(guò)去幾十年的發(fā)展；前半部分重點(diǎn)介紹電子納米器件，包括準(zhǔn)一維電子氣、強(qiáng)電子相關(guān)的測(cè)量、量子點(diǎn)的熱電特性、單電子源、量子電流標(biāo)準(zhǔn)、電子量子光學(xué)、噪聲測(cè)量、拓?fù)浣^緣體納米帶、硅量子比特器件等；后半部分介紹光電子納米器件，包括半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源的電學(xué)控制、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)激光器、納米線激光器，以及氮化物單光子源等內(nèi)容。
本書(shū)可供半導(dǎo)體器件、材料、物理相關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員閱讀參考，也可作為高校相關(guān)專業(yè)的拓展學(xué)習(xí)資料。

David A. Ritchie：劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授、半導(dǎo)體物理學(xué)組的負(fù)責(zé)人，劍橋大學(xué)羅賓遜學(xué)院的研究員和物理學(xué)研究主任，斯旺西大學(xué)半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教授。他的研究重點(diǎn)是半導(dǎo)體物理學(xué)，在低維電子和光學(xué)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)、制造和測(cè)量方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

第1章介紹、背景和內(nèi)容1

第2章準(zhǔn)一維電子氣4
2.1介紹4
2.2實(shí)驗(yàn)5
2.3一維器件的量子傳輸性質(zhì)5
2.3.1冷卻5
2.3.2橫向電子聚焦6
2.3.3通過(guò)橫向電子聚焦的自旋排斥7
2.3.4多體效應(yīng)和基態(tài)維格納晶體8
2.3.5跨雙行的源極-漏極偏壓9
2.3.6面內(nèi)磁場(chǎng)對(duì)雙行的影響10
2.3.7無(wú)磁場(chǎng)分?jǐn)?shù)態(tài)11
2.3.8載流子密度變化的影響12
2.3.9面內(nèi)磁場(chǎng)的影響13
2.3.10具有分?jǐn)?shù)態(tài)的非線性傳輸13
參考文獻(xiàn)15

第3章半導(dǎo)體納米器件作為強(qiáng)電子相關(guān)的測(cè)量18
3.1費(fèi)米液體理論的失效18
3.1.1朝永-盧廷格液體模型19
3.1.2自旋朝永-盧廷格液體21
3.1.3譜函數(shù)和冪律行為22
3.2朝永-盧廷格液體行為的早期研究23
3.2.1光電子能譜24
3.2.2輸運(yùn)測(cè)量25
3.2.3磁隧穿譜26
3.3超越線性朝永-盧廷格液體近似31
3.3.1非線性朝永-盧廷格液體的移動(dòng)雜質(zhì)模型32
3.3.2遠(yuǎn)離費(fèi)米點(diǎn)的模式層次33
3.4非線性效應(yīng)研究進(jìn)展34
3.4.1一維“復(fù)制品”模式34
3.4.2動(dòng)量相關(guān)的冪律34
3.4.3高能量下自旋子和空穴子的壽命37
3.4.4非線性碳納米管37
3.5一維相互作用效應(yīng)其他進(jìn)展38
3.5.1庫(kù)侖阻力38
3.5.2螺旋電流38
3.5.3冷原子39
3.6小結(jié)39
參考文獻(xiàn)39

第4章量子點(diǎn)熱電特性42
4.1熱電的Landauer-Büttiker唯象理論42
4.2量子點(diǎn)模型43
4.3量子極限45
4.4庫(kù)侖振蕩和熱電勢(shì)45
4.5簡(jiǎn)并的影響48
4.6功率因子和品質(zhì)因數(shù)49
4.7對(duì)維德曼-弗蘭茲定律的違背51
4.8非線性區(qū)域52
4.9輸出功率和效率54
4.10應(yīng)用56
4.11小結(jié)59
參考文獻(xiàn)59

第5章單電子源64
5.1單電子源的類型64
5.1.1旋轉(zhuǎn)柵量子點(diǎn)單電子轉(zhuǎn)移64
5.1.2多結(jié)單電子泵66
5.1.3超導(dǎo)體-普通金屬混合旋轉(zhuǎn)柵67
5.1.4表面聲波單電子轉(zhuǎn)移68
5.1.5可調(diào)諧勢(shì)壘量子點(diǎn)泵71
5.1.6介觀電容器72
5.1.7懸浮子73
5.2量子電流標(biāo)準(zhǔn)75
5.2.1SI安培的實(shí)現(xiàn)76
5.2.2量子計(jì)量三角76
5.2.3多結(jié)泵電容器充電實(shí)驗(yàn)77
5.2.4可調(diào)諧勢(shì)壘泵的電流量化精度78
5.3電子量子光學(xué)80
5.3.1漢伯里·布朗和特維斯幾何結(jié)構(gòu)中的分區(qū)噪聲測(cè)量81
5.3.2Hong-Ou-Mandel效應(yīng)的不可區(qū)分性測(cè)試82
5.3.3量子層析成像83
5.3.4波包傳輸中的退相干和弛豫85
5.4小結(jié)87
參考文獻(xiàn)87

第6章半導(dǎo)體納米器件的噪聲測(cè)量91
6.1介紹91
6.2量子散粒噪聲的物理學(xué)92
6.2.1量子散粒噪聲的二項(xiàng)式統(tǒng)計(jì)92
6.2.2散粒噪聲的量子散射方法96
6.3噪聲測(cè)量技術(shù)101
6.3.1低頻散粒噪聲測(cè)量技術(shù)101
6.3.2高頻散粒噪聲測(cè)量技術(shù)105
6.4半導(dǎo)體納米器件中的散粒噪聲106
6.4.1散粒噪聲的量子抑制106
6.4.2散粒噪聲中的高頻效應(yīng)116
6.4.3分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：分?jǐn)?shù)電荷的散粒噪聲測(cè)量121
6.4.4使用散粒噪聲測(cè)量研究雙粒子相關(guān)性和干涉130
6.4.5用于電子量子光學(xué)的散粒噪聲測(cè)量134
6.5結(jié)論143
參考文獻(xiàn)144

第7章拓?fù)浣^緣體納米帶中的電學(xué)輸運(yùn)和超導(dǎo)輸運(yùn)150
7.1介紹150
7.2TI中的電學(xué)輸運(yùn)概述151
7.2.1電導(dǎo)率的溫度依賴性151
7.2.2垂直磁場(chǎng)中的3D TI152
7.3TI納米帶中的電學(xué)輸運(yùn)153
7.4TI納米帶中的超導(dǎo)輸運(yùn)158
7.4.1TI納米帶中臨界電流的溫度依賴性160
7.4.2TI納米帶約瑟夫森結(jié)中的Aharonov-Bohm效應(yīng)161
7.5總結(jié)與展望162
參考文獻(xiàn)163

第8章硅量子比特器件166
8.1介紹166
8.1.1摩爾定律166
8.1.2量子計(jì)算166
8.1.3量子計(jì)算平臺(tái)167
8.1.4關(guān)于本章168
8.2加工制造168
8.2.1硅主體材料168
8.2.2硅-金屬氧化物半導(dǎo)體（Si-MOS）169
8.2.3Si/SiGe170
8.2.4SOI171
8.3硅自旋量子比特173
8.3.1單自旋量子比特173
8.3.2單重態(tài)-三重態(tài)量子比特177
8.3.3自旋讀出177
8.4未來(lái)發(fā)展180
參考文獻(xiàn)180

第9章半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源的電學(xué)控制185
9.1介紹與動(dòng)機(jī)185
9.2單量子點(diǎn)光子源的二極管設(shè)計(jì)185
9.2.1用于量子點(diǎn)電場(chǎng)控制的異質(zhì)結(jié)構(gòu)185
9.2.2提高單量子點(diǎn)光子收集效率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)188
9.3量子點(diǎn)內(nèi)部能級(jí)控制189
9.3.1中性躍遷的電場(chǎng)控制189
9.3.2帶電躍遷的電場(chǎng)控制192
9.4量子點(diǎn)控制的混合方法193
9.4.1可調(diào)諧電致發(fā)光量子點(diǎn)光源193
9.4.2采用可調(diào)光源結(jié)合相干光控制194
9.4.3應(yīng)變和電場(chǎng)可調(diào)量子點(diǎn)195
9.5未來(lái)發(fā)展195
參考文獻(xiàn)196

第10章半導(dǎo)體量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池200
10.1介紹200
10.2QD-IBSC中量子效率的漂移-擴(kuò)散分析201
10.2.1介紹201
10.2.2仿真方法202
10.2.3結(jié)果與討論204
10.3使用場(chǎng)阻尼層提高QDSC中的載流子收集效率206
10.3.1使用場(chǎng)阻尼層的QDSC能帶結(jié)構(gòu)工程206
10.3.2寬禁帶材料蓋帽對(duì)使用FDL的QDSC的影響211
10.4QDSC中TSPA過(guò)程的FTIR光譜213
10.4.1兩步光吸收光譜213
10.4.2In（Ga）As QDSC的FTIR光電流光譜213
10.4.3In（Ga）As QDSC的二維光電流激發(fā)光譜215
10.5結(jié)論217
參考文獻(xiàn)218

第11章硅上單片Ⅲ-Ⅴ族量子點(diǎn)激光器220
11.1介紹220
11.2硅上量子點(diǎn)激光器的優(yōu)勢(shì)221
11.2.1半導(dǎo)體量子點(diǎn)221
11.2.2硅基激光器中量子點(diǎn)優(yōu)于量子阱的優(yōu)勢(shì)221
11.3硅上Ⅲ-Ⅴ族材料的異質(zhì)外延生長(zhǎng)223
11.3.1異質(zhì)外延生長(zhǎng)的挑戰(zhàn)223
11.3.2高質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ/Si外延的解決方案224
11.4硅上Ⅲ-Ⅴ族量子點(diǎn)激光器的現(xiàn)狀227
11.4.1硅上法布里-珀羅邊發(fā)射激光器227
11.4.2硅上的單模量子點(diǎn)邊發(fā)射激光器230
11.4.3硅上的量子點(diǎn)鎖模激光器233
11.4.4硅上的量子點(diǎn)微腔激光器233
11.4.5硅上的量子點(diǎn)光子晶體激光器236
11.5硅上量子點(diǎn)激光器的未來(lái)發(fā)展方向237
11.6結(jié)論237
參考文獻(xiàn)238

第12章半導(dǎo)體納米線激光器的物理和應(yīng)用245
12.1介紹245
12.2激光器246
12.2.1激光基礎(chǔ)247
12.2.2納米級(jí)激光器腔體設(shè)計(jì)251
12.2.3激光閾值251
12.3作為激光器元件的納米線255
12.3.1納米線生長(zhǎng)255
12.3.2納米線激光器用材料體系256
12.4納米線激光器技術(shù)的當(dāng)前課題259
12.4.1量子限制259
12.4.2光耦合261
12.4.3等離激元261
12.5現(xiàn)狀和前景262
參考文獻(xiàn)262

第13章氮化物單光子源275
13.1介紹275
13.1.1單光子源的概念275
13.1.2單光子源的關(guān)鍵測(cè)量276
13.1.3“理想”單光子源的基本特性277
13.2量子點(diǎn)制備基本原理277
13.2.1平面上的自組裝278
13.2.2納米棒的自組裝282
13.2.3量子點(diǎn)形成的光刻方法283
13.3用于單光子發(fā)射的量子點(diǎn)基本性質(zhì)284
13.3.1三維限制的物理學(xué)284
13.3.2Ⅲ族氮化物量子點(diǎn)的特殊性質(zhì)和針對(duì)單光子發(fā)射的思考286
13.4氮化物量子點(diǎn)單光子源的優(yōu)缺點(diǎn)287
13.5基于氮化物中缺陷的單光子源289
13.6展望290
參考文獻(xiàn)291

附錄中英文術(shù)語(yǔ)對(duì)照295