光子学是一门研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用的前沿学科，硅光子学专门研究硅以及硅基异质结材料(诸如SiGe/Si、SOI等)等介质材料中光子的行为和规律，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计与制造以及在光通信、光计算等领域中的实际应用.全书共19章，分别介绍硅基光子学基础、应用和发展趋势；硅基异质结构和量子结构的物理性质、制备方法；硅基光子器件，包括硅基发光器件、探测器、光波导器件；硅基光子晶体、硅基光电子集成、硅基光互连以及硅基太阳能电池.
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序
前言
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
2.2Si、Ge的晶体性质19
2.2.1晶体结构19
2.2.2晶格常数20
2.2.3Si1.xGex的晶格失配和临界厚度22
2.3能带结构23
2.3.1Si的能带结构23
2.3.2Si1.xGex的能带结构25
2.3.3Si1.xGex量子结构和超晶格29
2.4Si1.xGex的电学性质30
2.4.1Si1.xGex的载流子迁移率30
2.4.2Si1.xGex/Si和Si1.xGex/Ge中的二维载流子32
2.5Si1.xGex的光学性质34
2.5.1Si1.xGex的折射率34
2.5.2Si1.xGex的吸收系数35
2.5.3Si1.xGex的光荧光谱36
2.5.4Si1.xGex的Raman光谱36
2.6弛豫Si1.xGex合金的物理参数39
2.7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.xGex材料45
3.2.1分子束外延技术简介45
3.2.2MBE外延生长Si1.xGex材料46
3.3UHV/CVD系统55
3.4UHV/CVD材料生长动力学57
3.4.1Si/Si同质结外延57
3.4.2Si1.xGex/Si异质结外延58
3.5UHV/CVD外延生长Ge、GeSi和SiGeSn60
3.5.1UHV/CVD生长Ge60
3.5.2UHV/CVD低温外延生长Si1.xGex61
3.5.3UHV/CVD外延生长SiGeSn65
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
4.2SOI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
4.2.5SOI制备方法的比较80
4.3SOI材料的表征技术81
4.3.1SOI材料的晶体质量82
4.3.2SOI材料的载流子寿命和表面复合84
4.4SOI的应用与发展趋势85
4.4.1SOICMOS电路86
4.4.2SOIMOSFET技术87
4.4.3SOI在微电子领域的应用及市场概况88
4.4.4SOI技术的发展趋势90
4.4.5SOI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
5.2.5Ge/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
6.5.1AlGaInAs/Si混合型激光器119
6.5.2硅基Si1.xGex/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
7.1Si/Si1.xGex量子级联激光器的能带计算129
7.1.1k·p方法计算Si/Si1.xGex量子阱的空穴能级129
7.1.2中远红外(太赫兹)Si/Si1.xGex量子级联激光器的能带设计133
7.2Si/Si1.xGex量子级联激光器的增益和损耗137
7.2.1Si/Si1.xGex量子级联激光器的增益系数137
7.2.2Si/Si1.xGex量子级联激光器的波导和损耗140
7.3Si/Si1.xGex量子级联结构的外延生长和表征145
7.4Si/Si1.xGex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
8.2Si1.xGex垂直结构PIN光电二极管155
8.3RCESi1.xGex/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
8.3.3Si1.xGex/SiMQWRCE光电探测器的制备163
8.3.4RCE探测器的特性163
8.4Si基Ge光电二极管166
8.4.1硅基Ge材料外延技术166
8.4.2Si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
9.2.1SOI矩形截面脊形波导的单模条件182
9.2.2SOI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
9.4.2F-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
11.5SOI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
13.2AWG的器件参数和设计286
13.3AWG的计算机模拟290
13.4AWG性能的优化294
13.5AWG的制备306
13.6AWG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
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