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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-Si9

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-LED186

7.1.3 采用表面构型单晶Si作为有源区的Si-LED189

7.1.4 采用Si基超晶格结构作为有源区的Si-LED191

7.1.5 采用Si基光子晶体作为有源区的Si-LED193

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