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内容简介

　　纳米光电子器件是纳米半导体光电子技术领域中的一个主要分支，旨在研究各种纳米光电子器件的制作方法、工作原理及其在光通信和光信息处理中的应用等。《纳米光电子器件》结合作者的研究工作，对上述内容进行了介绍与评论。《纳米光电子器件》共分10章，第1、2章简要介绍了半导体量子点的自组织生长和主要物理性质。第3～10章着重介绍了近年发展起来的各种纳米光电子器件，如量子点激光器、量子点红外探测器、量子点单光子发射与探测器件、量子点太阳电池、量子点光放大器与光存储器、量子级联激光器、纳米线光电子器件、光子晶体器件与纳米光子集成等，并对它们近年来的研究进展进行了评述。

内页插图

目录

序
前言
第1章 半导体量子点的自组织生长
1．1 量子点材料的类型和性质
1．2 量子点自组织生长的基本原理
1．3 基于S-K模式的量子点自组织生长
1．3．1 InAs／GaAs量子点
1．3．2 InSb／GaSb量子点
1．3．3 CdSe量子点
1．3．4 Ge／Si量子点
1．4 有序量子点的可控自组织生长
1．4．1 垂直排列量子点的生长
1．4．2 高指数面衬底上的量子点生长
1．4．3 图形化衬底上的量子点生长
1．4．4 采用近场光的纳米结构加工
1．4．5 有序Sl基纳米结构的自组织化生长
1．5 量子点的化学合成方法简介
1．5．1 化学气相沉积法
1．5．2 溶胶-凝胶法
1．5．3 模板合成法
1．5．4 化学溶液沉淀法
参考文献

第2章 半导体量子点的物理性质
2．1 半导体量子点中的电子状态
2．1．1 箱形量子点
2．1．2 球形量子点
2．1．3 Ⅱ型量子点
2．2 量子点中的电子输运性质
2．2．1 单电子隧穿与库仑阻塞
2．2．2 耦合量子点中的电子输运
2．3 量子点的光学性质
2．3．1 量子尺寸约束效应
2．3．2 量子限制斯塔克效应
2．3．3 光学非线性效应
2．3．4 量子点中的激子态
2．4 量子点的磁学性质
2．4．1 近藤效应
2．4．2 自旋磁阻现象
2．5 半导体量子点的器件应用
参考文献

第3章 量子点激光器
3．1 量子点激光器的物理性能
3．1．1 高度压缩的态密度
3．1．2 阈值电流密度
3．1．3 微分增益
3．1．4 调制特性
3．2 量子点激光器对材料性质的要求
3．3 不同类型的量子点激光器
3．3．1 Ⅲ-Ⅴ族化合物量子点激光器
3．3．2 Ⅱ-Ⅵ族化合物量子点激光器
3．3．3 Si量子点激光器
3．3．4 InGaN／GaN量子点激光器
3．4 量子点激光器中的载流子输运动力学
3．5 量子点超辐射发光管
3．6 量子点发光二极管
参考文献

第4章 量子点红外探测器
4．1 光探测器的性能参数
4．2 量子点红外探测器的物理性能
4．3 不同类型的量子点红外探测器
4．3．1 InAs／GaAs量子点探测器
4．3．2 InGaAs／GaAs量子点探测器
4．3．3 高温工作量子点探测器
4．3．4 Ge与Si量子点红外探测器
4．3．5 量子点／聚合物结构红外探测器
4．3．6 GaN纳米结构的光探测器
参考文献

第5章 量子点单光子发射与探测器件
5．1 单量子点的光学特，陆
5．1．1 单光子发射的反聚束特征
5．1．2 反聚束特征的实验测定
5．1．3 单量子点的两种激子发射与极化现象
5．2 实现单光子发射的微腔结构
5．3 量子点单光子发射器件
5．3．1 柱型微腔量子点单光子发射器件
5．3．2 微盘量子点单光子发射器件
5．3．3 单量子点发光二极管
5．3．4 蓝光量子点单光子发射器件
5．3．5 产生纠缠光子态的单光子源器件
5．4 量子点单光子探测器件
5．4．1 场效应晶体管型单光子探测器件
5．4．2 单电子晶体管型单光子探测器件
5．4．3 超导单光子探测器件
5．4．4 雪崩光电二极管型单光子探测器件
参考文献

第6章 量子点太阳电池
6．1 探索量子点太阳电池的物理构想
6．2 不同结构组态的量子点太阳电池
6．2．1 p-i-n结构量子点太阳电池
6．2．2 量子点敏化太阳电池
6．2．3 基于多激子产生效应的量子点太阳电池
6．3 发展量子点太阳电池的技术对策
6．3．1 量子点材料的选择
6．3．2 有序量子点的形成
6．3．3 器件结构组态的设计
6．3．4 量子点界面性质的调整
参考文献

第7章 量子点光放大器与光存储器
7．1 量子点光放大器
7．1．1 量子点光放大器的优异特性
7．1．2 InAs／GaAs量子点放大器
7．1．3 高饱和功率和高增益带宽量子点光放大器
7．2 量子点超高速波长变换器件
7．3 量子点光存储器
7．3．1 InAs量子点存储器
7．3．2 自旋量子点存储器
7．3．3 ZnO量子点／聚合物结构存储器
7．3．4 CdSe／ZnSe量子点／碳纳米管结构存储器
7．3．5 Si基量子点存储器
7．4 其他纳米光存储器
7．4．1 近场光学存储器
7．4．2 双光子双稳态数字存储器
7．4．3 分子存储器
参考文献

第8章 量子级联激光器
8．1 QC激光器的新颖物理特性
8．2 QC激光器的工作原理
8．2．1 基本工作原理
8．2．2 载流子输运过程
8．3 QC激光器的性能参数
8．4 具有不同有源区结构的Qc激光器
8．4．1 三阱垂直跃迁有源区QC激光器
8．4．2 超晶格有源区QC激光器
8．4．3 应变补偿量子阱有源区QC激光器
8．4．4 束缚-连续跃迁有源区QC激光器
8．4．5 四阱双声子共振有源区QC激光器
8．5 QC激光器研究的新方向
8．5．1 THzQC激光器
8．5．2 Ⅱ型QC激光器
8．5．3 光子晶体QC激光器
参考文献

第9章 纳米线光电子器件
9．1 半导体量子线中的电子状态
9．1．1 横截面为矩形的量子线结构
9．1．2 横截面为圆形的量子线结构
9．2 纳米线的光电特性
9．2．1 场致发射特性
9．2．2 光致发光特性
9．3 纳米线光电子器件
9．3．1 纳米线太阳电池
9．3．2 纳米线发光二极管
9．3．3 纳米线激光器
9．3．4 纳米线光电二极管
9．3．5 纳米线传感器
参考文献

第10章 光子晶体器件与纳米光子集成
10．1 光子晶体的结构类型
10．2 光子晶体的基本特性
10．3 光子带隙基础
10．4 光子晶体微腔激光器
10．4．1 微腔激光器的分类
10．4．2 Ⅲ-V族化合物光子晶体微腔激光器
10．4．3 Si混合光子晶体微腔激光器
10．4．4 GaN和ZnO光子晶体微腔激光器
10．4．5 高品质因子微腔结构的设计
10．4．6 光子晶体发光二极管
10．4．7 光子晶体器件集成
10．5 光子晶体结构太阳电池
10．6 基于近场光的纳米光子学
参考文献
附录
中英文词汇对照

前言/序言

　　目前，人类社会正在进入一个全新的信息化和网络化时代。信息化社会的急速到来，既给作为信息科学技术支撑的微电子技术和光电子技术的发展带来了新机遇，同时又对它们今后的发展提出了新挑战。而微电子技术和光电子技术的核心就是各类微电子器件和光电子器件及其集成电路的设计、制作与应用。20世纪90年代纳米科学技术的兴起，尤其是纳米半导体材料与结构研究的不断深入，使得以它们作为有源区制作的各种纳米电子器件和纳米光电子器件将逐渐成为下一代微电子器件与光电子器件的自然候选者。换句话说，以纳米CMOS器件、单电子器件、共振隧穿量子器件和自旋电子器件等新一代纳米电子器件和以量子点激光器、量子点红外探测器、量子点单光子源和光子晶体器件等为代表的纳米光电子器件，将会极大地促进光通信技术、光计算机技术和光信息处理技术的迅速发展。如果说微电子技术在过去的近半个世纪中，为电子信息技术的发展立下了汗马功劳，那么光电子技术将肩负起21世纪信息科学技术发展的重任。尤其是以3T技术为量化指标的信息时代的发展，又将直接依赖于纳米光电子技术，这正是人们近年广泛开展纳米光电子器件研究的原动力。
　　20世纪60年代半导体激光器的问世，为半导体光电子技术的发展带来了深刻的变革，同时也为现代光通信技术的发展奠定了坚实基础。在其后的20多年中，半导体激光器经历了同质结激光器、异质结激光器和量子阱激光器三个重要阶段。尤其是量子阱激光器，由于态密度的压缩和势阱对载流子有一维量子限制作用，从而有效减少了非辐射复合和提高了有源区微分增益系数，使激光器的性能得到很大改善。一维受限量子阱激光器取得的极大成功，激发了人们研制更高维度受限激光器的热情。90年代中期以后，随着量子点自组织生长技术取得的长足进步，基于三维量子受限作用的量子点激光器受到了人们的高度关注。高度压缩的电子态密度使量子点激光器比量子阱激光器具有更低的阈值电流密度、更高的微分增益、更快的调制速率和更优异的温度稳定性。迄今，人们已采用分子束外延技术制作了以InAs/GaAs、InGaAs/GaAs、InAs／InP、GaInNlGaN等结构为主的大功率、长波长发射、近红外发射和蓝绿光发射的各种类型量子点激光器，成为纳米光电子器件发展的主流方向。
　　中红外和远红外光探测器的研究，在远距离传感、热成像、夜视和空间定位等领域具有重要的用途。随着半导体超晶格与量子阱研究的不断深入，量子阱红外探测器获得了迅速发展。然而，由于选择跃迁定则的限制，它不能直接探测垂直入射光，而且在红外区域只有较窄的光谱响应范围。近10年来，随着半导体量子点物理研究的日渐深入和量子点自组织化形成技术的不断完善，一种以量子点作为有源区的新型红外光探测器也正在受到越来越多研究者的关注。虽然量子点红外探测器在结构形式和工作原理上与量子阱红外探测器相类似，但它却有着后者所不可比拟的许多优点。例如，对垂直入射光敏感，可以获得更宽的光谱响应，具有较长的电子激发寿命，更低的暗电流密度，更高的光电导增益和更高的光探测率等。以InAs/GaAs、InGaAs/GaAs、GelSi等量子点结构为有源区设计和制作的量子点红外光探测器是目前这一领域的研究重点。
　　单光子的产生与发射是信息密码、量子计算和量子保密通信研究中所面临的一项关键技术。作为一种产生单光子的技术方案，采用量子点作为有源区实现单光子发射是当前人们所关注的焦点。这是因为与其他单光子源相比，量子点单光子源具有大的振子强度和窄的谱线宽度。从原理上讲，固态量子点材料的发光波长，可以覆盖从可见光到红外光的光波范围，这使得它在单光子发射器件的制作中具有潜在应用价值。
　　20世纪70年代，能带工程（或波函数工程）的提出与应用，使量子阱、量子线和量子点激光器的研究获得了迅速发展。但值得注意的是，上述各种激光器的工作原理都是基于偏压下导带和价带之间激发光载流子的辐射复合，其发光波长由材料的带隙能量所决定。为了实现中红外，甚至远红外波长的受激发射，人们又提出了基于量子阱材料中导带（或价带）内子带间载流子跃迁的单极光源，即量子级联激光器。自从1994年瑞典科学家首次报道了以InGaAs/InAIAs为有源区的量子级联激光器以来，这一领域的研究进展十分迅速。以三阱垂直跃迁有源区、超晶格有源区、应变补偿量子阱有源区、束缚一连续跃迁有源区和四阱双声子共振有源区等为代表的量子级联激光器，在中远红外夜视、中远红外光学雷达、红外通信、大气污染监测和工业烟尘分析等方面具有潜在的应用前景。
　　光子晶体是近10年内迅速发展起来的一种新型人工结构功能材料，它的主要物理特性是具有光子带隙，可以使人们能像控制半导体结构中的电子那样去操纵光子晶体中光子的行为。光子晶体的另一个重要性质是当人为地向其中引入点缺陷或线缺陷时，光子也会像电子一样出现所谓的局域现象，这对设计和制作具有微腔结构的高效率发光器件和各种光波导器件具有十分重要的意义。光子晶体的理论研究、器件制作以及基于近场光学的纳米光子集成技术的研究已成为光学物理、凝聚态物理、电磁波技术和信息光子技术领域中的一个热点课题。
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