半导体纳米器件：物理、技术和应用

随着先进的集成电路工艺节点不断向纳米级推进，对半导体纳米器件的研究就显得越发重要。本书详细介绍了半导体纳米器件的物理学原理、结构、制造工艺及应用等内容。开篇介绍了这一研究领域在过去几十年的发展；前半部分重点介绍电子纳米器件，包括准一维电子气、强电子相关的测量、量子点的热电特性、单电子源、量子电流标准、电子量子光学、噪声测量、拓扑绝缘体纳米带、硅量子比特器件等；后半部分介绍光电子纳米器件，包括半导体量子点单光子源的电学控制、量子点太阳能电池、量子点激光器、纳米线激光器，以及氮化物单光子源等内容。
本书可供半导体器件、材料、物理相关科研人员和工程技术人员阅读参考，也可作为高校相关专业的拓展学习资料。

David A. Ritchie：剑桥大学卡文迪什实验室的实验物理学教授、半导体物理学组的负责人，剑桥大学罗宾逊学院的研究员和物理学研究主任，斯旺西大学半导体科学与技术专业教授。他的研究重点是半导体物理学，在低维电子和光学结构的生长、制造和测量方面有丰富的经验。

第1章介绍、背景和内容1

第2章准一维电子气4
2.1介绍4
2.2实验5
2.3一维器件的量子传输性质5
2.3.1冷却5
2.3.2横向电子聚焦6
2.3.3通过横向电子聚焦的自旋排斥7
2.3.4多体效应和基态维格纳晶体8
2.3.5跨双行的源极-漏极偏压9
2.3.6面内磁场对双行的影响10
2.3.7无磁场分数态11
2.3.8载流子密度变化的影响12
2.3.9面内磁场的影响13
2.3.10具有分数态的非线性传输13
参考文献15

第3章半导体纳米器件作为强电子相关的测量18
3.1费米液体理论的失效18
3.1.1朝永-卢廷格液体模型19
3.1.2自旋朝永-卢廷格液体21
3.1.3谱函数和幂律行为22
3.2朝永-卢廷格液体行为的早期研究23
3.2.1光电子能谱24
3.2.2输运测量25
3.2.3磁隧穿谱26
3.3超越线性朝永-卢廷格液体近似31
3.3.1非线性朝永-卢廷格液体的移动杂质模型32
3.3.2远离费米点的模式层次33
3.4非线性效应研究进展34
3.4.1一维“复制品”模式34
3.4.2动量相关的幂律34
3.4.3高能量下自旋子和空穴子的寿命37
3.4.4非线性碳纳米管37
3.5一维相互作用效应其他进展38
3.5.1库仑阻力38
3.5.2螺旋电流38
3.5.3冷原子39
3.6小结39
参考文献39

第4章量子点热电特性42
4.1热电的Landauer-Büttiker唯象理论42
4.2量子点模型43
4.3量子极限45
4.4库仑振荡和热电势45
4.5简并的影响48
4.6功率因子和品质因数49
4.7对维德曼-弗兰兹定律的违背51
4.8非线性区域52
4.9输出功率和效率54
4.10应用56
4.11小结59
参考文献59

第5章单电子源64
5.1单电子源的类型64
5.1.1旋转栅量子点单电子转移64
5.1.2多结单电子泵66
5.1.3超导体-普通金属混合旋转栅67
5.1.4表面声波单电子转移68
5.1.5可调谐势垒量子点泵71
5.1.6介观电容器72
5.1.7悬浮子73
5.2量子电流标准75
5.2.1SI安培的实现76
5.2.2量子计量三角76
5.2.3多结泵电容器充电实验77
5.2.4可调谐势垒泵的电流量化精度78
5.3电子量子光学80
5.3.1汉伯里·布朗和特维斯几何结构中的分区噪声测量81
5.3.2Hong-Ou-Mandel效应的不可区分性测试82
5.3.3量子层析成像83
5.3.4波包传输中的退相干和弛豫85
5.4小结87
参考文献87

第6章半导体纳米器件的噪声测量91
6.1介绍91
6.2量子散粒噪声的物理学92
6.2.1量子散粒噪声的二项式统计92
6.2.2散粒噪声的量子散射方法96
6.3噪声测量技术101
6.3.1低频散粒噪声测量技术101
6.3.2高频散粒噪声测量技术105
6.4半导体纳米器件中的散粒噪声106
6.4.1散粒噪声的量子抑制106
6.4.2散粒噪声中的高频效应116
6.4.3分数量子霍尔效应：分数电荷的散粒噪声测量121
6.4.4使用散粒噪声测量研究双粒子相关性和干涉130
6.4.5用于电子量子光学的散粒噪声测量134
6.5结论143
参考文献144

第7章拓扑绝缘体纳米带中的电学输运和超导输运150
7.1介绍150
7.2TI中的电学输运概述151
7.2.1电导率的温度依赖性151
7.2.2垂直磁场中的3D TI152
7.3TI纳米带中的电学输运153
7.4TI纳米带中的超导输运158
7.4.1TI纳米带中临界电流的温度依赖性160
7.4.2TI纳米带约瑟夫森结中的Aharonov-Bohm效应161
7.5总结与展望162
参考文献163

第8章硅量子比特器件166
8.1介绍166
8.1.1摩尔定律166
8.1.2量子计算166
8.1.3量子计算平台167
8.1.4关于本章168
8.2加工制造168
8.2.1硅主体材料168
8.2.2硅-金属氧化物半导体（Si-MOS）169
8.2.3Si/SiGe170
8.2.4SOI171
8.3硅自旋量子比特173
8.3.1单自旋量子比特173
8.3.2单重态-三重态量子比特177
8.3.3自旋读出177
8.4未来发展180
参考文献180

第9章半导体量子点单光子源的电学控制185
9.1介绍与动机185
9.2单量子点光子源的二极管设计185
9.2.1用于量子点电场控制的异质结构185
9.2.2提高单量子点光子收集效率的异质结构188
9.3量子点内部能级控制189
9.3.1中性跃迁的电场控制189
9.3.2带电跃迁的电场控制192
9.4量子点控制的混合方法193
9.4.1可调谐电致发光量子点光源193
9.4.2采用可调光源结合相干光控制194
9.4.3应变和电场可调量子点195
9.5未来发展195
参考文献196

第10章半导体量子点太阳能电池200
10.1介绍200
10.2QD-IBSC中量子效率的漂移-扩散分析201
10.2.1介绍201
10.2.2仿真方法202
10.2.3结果与讨论204
10.3使用场阻尼层提高QDSC中的载流子收集效率206
10.3.1使用场阻尼层的QDSC能带结构工程206
10.3.2宽禁带材料盖帽对使用FDL的QDSC的影响211
10.4QDSC中TSPA过程的FTIR光谱213
10.4.1两步光吸收光谱213
10.4.2In（Ga）As QDSC的FTIR光电流光谱213
10.4.3In（Ga）As QDSC的二维光电流激发光谱215
10.5结论217
参考文献218

第11章硅上单片Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器220
11.1介绍220
11.2硅上量子点激光器的优势221
11.2.1半导体量子点221
11.2.2硅基激光器中量子点优于量子阱的优势221
11.3硅上Ⅲ-Ⅴ族材料的异质外延生长223
11.3.1异质外延生长的挑战223
11.3.2高质量Ⅲ-Ⅴ/Si外延的解决方案224
11.4硅上Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器的现状227
11.4.1硅上法布里-珀罗边发射激光器227
11.4.2硅上的单模量子点边发射激光器230
11.4.3硅上的量子点锁模激光器233
11.4.4硅上的量子点微腔激光器233
11.4.5硅上的量子点光子晶体激光器236
11.5硅上量子点激光器的未来发展方向237
11.6结论237
参考文献238

第12章半导体纳米线激光器的物理和应用245
12.1介绍245
12.2激光器246
12.2.1激光基础247
12.2.2纳米级激光器腔体设计251
12.2.3激光阈值251
12.3作为激光器元件的纳米线255
12.3.1纳米线生长255
12.3.2纳米线激光器用材料体系256
12.4纳米线激光器技术的当前课题259
12.4.1量子限制259
12.4.2光耦合261
12.4.3等离激元261
12.5现状和前景262
参考文献262

第13章氮化物单光子源275
13.1介绍275
13.1.1单光子源的概念275
13.1.2单光子源的关键测量276
13.1.3“理想”单光子源的基本特性277
13.2量子点制备基本原理277
13.2.1平面上的自组装278
13.2.2纳米棒的自组装282
13.2.3量子点形成的光刻方法283
13.3用于单光子发射的量子点基本性质284
13.3.1三维限制的物理学284
13.3.2Ⅲ族氮化物量子点的特殊性质和针对单光子发射的思考286
13.4氮化物量子点单光子源的优缺点287
13.5基于氮化物中缺陷的单光子源289
13.6展望290
参考文献291

附录中英文术语对照295