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《半导体光子学》可以作为高校光电子?光学工程?通信?物理等专业的高年级本科生和研究生的教材,也适合在信息领域从事研发?生产和管理的人员阅读.
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| 內容簡介： |
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光子学是与电子学平行的科学.半导体光子学是以半导体为介质的光子学,专门研究半导体中光子的行为和性能,着重研究光的产生?传输?控制和探测等特性,进一步设计半导体光子器件的结构,分析光学性能及探索半导体光子系统的应用.《半导体光子学》分为13章,包括光子材料?异质结构和能带?辐射复合发光和光吸收?光波传输模式;超晶格和量子阱?发光管?激光器?探测器?光波导器件和太阳能电池等光子器件的工作原理;器件结构和特性以及光子晶体?光子集成等方面.作者在中国科学院大学原研究生院兼职教学18年,《半导体光子学》以该课程的讲义为基础历时3年写成,力求对半导体光子学的基本概念?光子器件的物理内涵和前沿研究的发展趋势作深入的描述和讨论,尽可能地提供明晰的物理图像和翔实的数据与图表.
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| 目錄：
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目录
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 电子和光子的比较 4
1.3 半导体电子学的发展历程 6
1.4 半导体光子学的发展历程 11
1.5 本书的内容 18
参考文献 19
第2章 半导体光子材料 21
2.1 引言 21
2.2 半导体光子材料 22
2.2.1 半导体光子材料的基本特性 22
2.2.2 半导体光子材料的晶体结构 26
2.3 半导体的晶格匹配和失配 28
2.3.1 临界厚度 29
2.3.2 晶格失配度 29
2.4 半导体固溶体 32
2.5 重要的半导体固溶体 35
2.5.1 Alx-a1-xAs 35
2.5.2 -axIn1-xPyAs1-y 37
2.5.3 Alx-a1-xyIn1-yP 39
2.5.4 GexSi1-x 40
2.6 半导体光子材料的折射率 42
2.7 结束语 44
参考文献 45
第3章 半导体异质结构 47
3.1 引言 47
3.2 半导体异质结概念 48
3.3 能带的形成 49
3.4 半导体异质结构的能带图 50
3.4.1 半导体的E-k关系能带图 50
3.4.2 安德森能带模型 52
3.5 几种异质结的能带图 56
3.5.1 异型异质结的能带图 56
3.5.2 异型突变异质结 57
3.5.3 缓变异质结 61
3.5.4 同型突变异质结 62
3.5.5 双异质结 63
3.6 异质结的电学性质 64
3.6.1 异质结的伏-安特性 64
3.6.2 异质结的电容-电压特性 68
3.6.3 异质结对载流子的限制作用 69
3.6.4 异质结的高注入比 70
3.6.5 异质结的超注入现象 71
3.7 异质结的光学特性 71
3.7.1 异质结对光的限制作用 71
3.7.2 窗口效应 72
3.8 结束语 72
参考文献 73
第4章 介质波导 75
4.1 引言 75
4.2 光的反射和折射 76
4.2.1 反射定律 76
4.2.2 折射定律 76
4.2.3 反射率和透射率 77
4.2.4 布儒斯特定律 79
4.2.5 临界角和全反射 79
4.3 电磁场理论 80
4.3.1 麦克斯韦方程 80
4.3.2 波动方程 82
4.3.3 平面波 83
4.3.4 有损耗的介质中的平面波 85
4.4 辐射模?衬底模和波导模 87
4.5 平板介质波导 88
4.5.1 全反射 89
4.5.2 波导条件 89
4.6 平板介质波导中的TE模 92
4.6.1 对称波导 92
4.6.2 偶阶TE模式 93
4.6.3 奇阶TE模式 96
4.7 矩形介质波导 97
4.8 古斯-汉欣位移 100
4.9 光的模式 101
4.10 结束语 103
参考文献 104
第5章 半导体中的光发射和光吸收 106
5.1 引言 106
5.2 辐射复合和非辐射复合 107
5.2.1 辐射复合 108
5.2.2 非辐射复合 111
5.3 光辐射和光吸收的关系 113
5.3.1 光辐射和光吸收的基本概念 113
5.3.2 黑体辐射 114
5.3.3 爱因斯坦关系式 117
5.3.4 半导体中受激辐射的必要条件 119
5.3.5 净受激发射的速率 120
5.3.6 两个能级间的光吸收系数 120
5.4 跃迁几率 122
5.4.1 费米黄金准则 122
5.4.2 矩阵元 123
5.5 半导体中的态密度 125
5.6 半导体中的光吸收和光发射 127
5.6.1 吸收系数 127
5.6.2 自发辐射和受激辐射速率 128
5.7 半导体中的光增益 129
5.8 结束语 134
参考文献 134
第6章 半导体发光二极管 136
6.1 引言 136
6.2 pn结中的载流子分布 136
6.3 半导体pn结特性 139
6.3.1 热平衡时的pn结特性 139
6.3.2 外加偏压时的pn结特性 141
6.4 半导体发光二极管材料 144
6.5 发光二极管的工作原理 147
6.6 LED器件结构 149
6.7 高亮度发光二极管和超辐射发光二极管 153
6.7.1 高亮度发光二极管 153
6.7.2 超辐射发光二极管 155
6.8 发光二极管的特性 158
6.8.1 伏-安特性 158
6.8.2 P-I 特性 159
6.8.3 温度特性 160
6.8.4 光谱特性 161
6.8.5 调制带宽 162
6.8.6 发光效率η和出光效率ηout 163
6.8.7 相干特性 163
6.8.8 近场和远场分布特性 164
6.8.9 调制特性和偏振特性 164
6.9 结束语 164
参考文献 166
第7章 半导体激光器 167
7.1 引言 167
7.2 异质结对载流子和光波的限制 168
7.2.1 异质结对载流子的限制 168
7.2.2 波导对光波的限制 171
7.2.3 折射率波导和增益波导 173
7.3 半导体激光器的工作原理 175
7.3.1 半导体受激发射物质 175
7.3.2 粒子数反转 176
7.3.3 谐振腔 176
7.3.4 阈值条件 177
7.4 半导体激光器的基本结构 180
7.4.1 DH?LOC和SCH 激光器 181
7.4.2 条型激光器 183
7.5 半导体激光器的特性 185
7.5.1 P-I 和效率特性 185
7.5.2 阈值特性 186
7.5.3 效率特性 188
7.5.4 光谱和模式 189
7.5.5 近场图和远场图 190
7.5.6 温度特性 191
7.5.7 调制特性 193
7.5.8 退化和寿命 194
7.6 结束语 196
参考文献 197
第8章 量子阱?分布反馈?垂直腔面发射激光器和半导体光放大器 199
8.1 引言 199
8.2 超晶格和量子结构 200
8.2.1 超晶格和量子结构的基本概念 200
8.2.2 量子结构的能带图和态密度 202
8.2.3 单量子阱和多量子阱 203
8.2.4 应变量子阱 206
8.3 量子阱激光器 207
8.3.1 量子阱激光器的工作原理 207
8.3.2 应变量子阱激光器 210
8.3.3 量子阱激光器的特性 211
8.4 分布反馈激光器和分布布拉格反射激光器 213
8.4.1 布拉格光栅 214
8.4.2 DFB和DBR激光器的结构 215
8.4.3 光波耦合理论 218
8.4.4 四分之一波长相移的DFB激光器 219
8.4.5 DFB激光器的特性 221
8.5 垂直腔面发射激光器 224
8.5.1 多层介质膜反射器 225
8.5.2 VCSEL激光器的结构 226
8.5.3 VCSEL激光器的特性 228
8.6 半导体光放大器 229
8.6.1 半导体光放大器的结构 229
8.6.2 半导体光放大器的增益 231
8.6.3 半导体光放大器的噪声 232
8.7 结束语 233
参考文献 234
第9章 光波导器件 237
9.1 光波导中的模式的计算方法 237
9.1.1 束传播法 238
9.1.2 时域有限差分法 239
9.1.3 薄膜匹配法 241
9.2 脊形波导的单模条件 241
9.2.1 矩形截面脊形波导的单模条件 242
9.2.2 梯形截面脊形波导的单模条件 243
9.2.3 纳米波导的单模条件 243
9.3 硅基阵列波导光栅 245
9.3.1 罗兰圆和AW-的结构 246
9.3.2 AW-的工作原理 247
9.3.3 AW-的特性 249
9.4 微环谐振器 251
9.4.1 微环谐振器的结构 251
9.4.2 微环谐振器的光学特性 253
9.4.3 光滤波器 256
9.5 光调制器光开关 258
9.5.1 硅基波导的调制机理 259
9.5.2 硅基光开关调制器的光学结构 263
9.5.3 光开关调制器的电学结构 266
9.5.4 硅基微纳光开关调制器的特性 268
9.6 硅基光耦合器 269
9.6.1 硅基光耦合器的结构 269
9.6.2 模斑变换器 271
9.6.3 棱镜耦合器 272
9.6.4 光栅耦合器 272
9.7 结束语 276
参考文献 276
第10章 半导体光电探测器 279
10.1 半导体中的光吸收 279
10.1.1 吸收系数 280
10.1.2 带间本征光吸收 283
10.1.3 自由载流子光吸收 284
10.2 pn结光电二极管 286
10.3 pin光电二极管 288
10.4 雪崩光电二极管 290
10.5 RCE光电探测器 294
10.6 MSM 光电二极管 297
10.7 半导体光电探测器的性能 298
10.7.1 量子效率和响应度 299
10.7.2 雪崩倍增因子M 300
10.7.3 暗电流和信噪比 301
10.7.4 响应时间 305
10.8 结束语 307
参考文献 308
第11章 太阳能电池 310
11.1 太阳能——最好的能源 311
11.2 太阳能电池工作原理 314
11.2.1 光伏效应 314
11.2.2 太阳能电池的电流-电压特性 314
11.2.3 光伏效应同材料的关系 317
11.2.4 太阳能电池的效率 318
11.3 硅太阳能电池 323
11.4 非晶硅薄膜太阳能电池 327
11.4.1 非晶硅薄膜的结构和电子态 327
11.4.2 非晶硅薄膜的光学特性 328
11.4.3 非晶硅和非晶锗硅电池 329
11.5 其他硅基太阳能电池 331
11.5.1 非晶硅微晶硅叠层电池 331
11.5.2 硅量子点电池和黑硅电池 332
11.6 聚光多结太阳能电池 333
11.6.1 多结太阳能电池的结构 334
11.6.2 多结太阳能电池的特性 336
11.7 太阳能电池的发展趋势 339
11.8 结束语 342
参考文献 343
第12章 半导体光子晶体 345
12.1 光子晶体 346
12.1.1 光子晶体概念 346
12.1.2 光子晶体的特性 347
12.2 光子晶体能带的计算 350
12.2.1 基于Bloch理论的平面波展开法 351
12.2.2 时域有限差分法 353
12.2.3 超元胞法 356
12.2.4 计算举例——负折射效应 357
12.3 光子晶体的应用 358
12.3.1 光子晶体的能带同器件的关系 358
12.3.2 光子晶体波导 360
12.3.3 光子晶体分束器和定向耦合器 363
12.3.4 光子晶体滤波器 364
12.3.5 光子晶体光开关调制器 365
12.3.6 光子晶体发光器件 365
12.4 光子晶体的制备 369
12.5 结束语 371
参考文献 372
第13章 半导体光子集成 374
13.1 信息时代需要光子集成 374
13.2 光子集成的平台 376
13.2.1 InP平台和Si平台的比较 376
13.2.2 SOI 378
13.3 光子集成的关键技术 379
13.3.1 外延生长技术 379
13.3.2 微纳加工技术 381
13.3.3 键合技术 383
13.4 硅基光子集成 383
13.4.1 硅基光子集成方式 383
13.4.2 硅基光波导器件阵列 386
13.4.3 硅基光子集成的光源和探测 391
13.5 光子集成的发展趋势 394
参考文献 397
索引 399
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第1章 引言
1.1 信息时代的前沿学科——光子学
在科学史上，20世纪是值得大书特书的历史时期，是人类文明史中的辉煌时代.简单地划分一下，20世纪的前五十年中，物理学研究获得特别重大的突破，以爱因斯坦相对论为代表的理论研究和以居里夫妇的放射性探索为代表的科学实验为人类开辟了新的纪元.20世纪的后五十年中，应用科学的研究和开发获得特别重大的突破，晶体管?集成电路和激光器的发明大大加速了信息的传输速度和各种控制的精确度，彻底地改变了人类社会的工作模式和生活方式，人类从此进入了一个高速发展的时期.
图1-1是20世纪的著名物理学家们聚会时的一张合影，这是一张非常珍贵的照片.照片中留下了爱因斯坦?居里夫人?普朗克?洛伦兹?朗之万?居伊?威尔逊?德拜?布拉格?狄拉克?康普顿?德布罗意?玻恩?玻尔?薛定谔?泡利?布里渊等人的身影.凡是学过物理学的人都熟悉他们的名字，学习过以他们的名字命名的定理?定律或物理量单位.这从一个侧面说明，在他们所处的年代，物理学在基础理论方面获得了特别重大的进展，真正是群星灿烂?熠熠生辉.
麦克斯韦?玻尔兹曼?爱因斯坦?布拉格?狄拉克?康普顿?德布罗意?玻尔?薛定谔?泡利?布里渊等科学家创建的电磁学?量子力学和相对论等理论，使人们对物质世界的本质和运动规律有了深刻的理解和认识，使得人类对物质世界的利用和改造变得越来越快.这些基础科学和应用科学的研究引发了电子技术?能源技术和自动化技术等领域划时代的革命性飞跃.集成电路?激光器?计算机与光通信的发展把人类社会的物质文明推进到前所未有的高度，为新世纪的持续发展奠定了坚实雄厚的基础.作为信息与能量的载体，电子在科学技术的发展中作出了历史性的巨大贡献，科学家和工程师们常把20世纪称为“电子时代”.同样地，作为信息与能量的载体，光子必将在21世纪的科学技术的发展中作出历史性的巨大贡献.
1906年首次出现“光子学”photonics这一物理学名词，最早提出“光子学”的科学家就是举世闻名的物理学家爱因斯坦Einstein.1952年文献中开始使用“光子学”一词.1970年荷兰科学家Poldervaart将“光子学”定义为“研究以光子为信息载体的科学”，之后，他认为“以光子作为能量载体的科学”也属于光子学的研究内容.1982年美国的Spectra 杂志更名为Photonics-Spectra，即由“光谱”更名为“光子学-光谱”，这是最早以“光子学”为期刊名字的杂志，该刊物提出光子学是研究如何产生量子化的光子或其他辐射并加以利用的科学，光子学的应用范围包括能量的发生到通信与信息处理等.贝尔实验室Ross博士认为，“电子学是关于电子的科学”，光子学则应是“关于光子的科学”.我国老一辈科学家钱学森院士提出，“光子学是与电子学平行的科学”，它主要“研究光子的产生?运动和转化”，还首次提出了“光子学-光子技术-光子工业”的发展模式.
显而易见，光子既是信息的载体，也是能量的载体.光子学就是研究作为信息载体和能量载体的光子的行为及其应用的科学;光子学研究光子与物质包括光子自身?电子?原子?分子?各种生命活体等的相互作用，在此基础上进一步发掘作为信息载体与能量载体的光子的功能和相关应用[1，2].
广义而言，光子学是研究光子的产生?输运?控制?反应?探测?接收等过程及其应用的科学.理论上，光子学主要研究光子的量子特性，同各类物质包括分子?原子?电子以及光子自身的相互作用，各类效应及其规律;应用上，光子学研究利用光子进行信息传输和能量传输的各种器件和系统，以便在信息和能源等领域中获得广泛的应用[3-5].
光子学是一门实用性极强的学科，已经形成了一系列的光子技术，如激光?光纤传输?光调制与光开关?光存储?光探测?光显示?太阳能的利用等技术.因此光子学不仅是一门基础科学，同时还是一门应用性极强的技术科学[6，7].
作为一门新兴学科，光子学正处于成长时期，将进一步发展?充实?完善.事实上，光子学已经形成了光产业，激光器?探测器?调制器?光开关?光盘?显示器?太阳能电站及其各种光电系统等具有很大的市场，这些产品在工农业生产?国防建设?太阳能利用?仪器设备?家用电器等应用中发挥着巨大的作用，已经形成了一项市场很大的新兴产业，即光产业.人们越来越认识到，光产业在世界经济中的份额正在不断地扩大.
在光子学的发展过程中，已经形成诸多活跃的和重要的研究领域:信息光子学[8]?半导体光子学[9，10]?量子光子学[11]?分子光子学[12]?生物光子学[13]?非线性光子学[14]?导波光纤光子学[4，5]?超快光子学[15]等.它们构成光子学中的多个分支学科，并对光子学及光子技术起着推动和促进的作用.
20世纪，电子作为信息的载体和能量的载体构成信息领域和能源领域的主要特征和标志，人们常常将20世纪称为“电子时代”.进入21世纪之后，电子学和光子学互为支撑?互为补充?互为转换，构成21世纪信息社会的时代特征.21世纪信息大爆炸，信息的产生?传递?接收?应用变得更为广泛?深入，人们将21世纪称为“信息时代”.显而易见，电子学和光子学同为信息时代的重要支柱[16-18].
继电子学之后，光子学与信息科学的交叉形成一门新兴的学科——信息光子学informationphotonics[8]，光子学及光子信息科学技术具有许多不同于电子学的新效应?新特性，因而具有许多不同于电子学的优越性.作为专门研究信息的信息光子学，它涉及领域很广，它是由材料学?计算科学?通信学等许多学科相互交叉形成的一门新学科.在广播?通信?计算机?化工?医疗等应用领域中信息是载体，通过光的发射?传播?吸收?散射，可以探测并研究物理信息?化学信息?生物信息?医学信息等，因而可以实现许多应用.
近年来生物学和生命科学变得越来越热门，它们是光子学的又一个重要应用领域.光与生命具有不解之缘，自然界中有光才有生命.人类与光亲密相伴，光为人体提供了各种能源和信息.生物医学光学与光子学骤然兴起，并引发出一门新兴的学科———生物光子学bio-photonics[13]，它是由光子学同生命科学相互交叉?相互渗透所形成的一门新兴的交叉学科.
生物光子学是利用光子研究生命的科学，主要以量子光学作为理论基础，以生命系统的弱光及超弱光子辐射作为实验手段，探测生物中的光子行为和特性，获得各种生物信息.生物光子学研究生物系统中以光子形式储存和释放的能量，探测生物系统中光子的行为和特性，探索光子携带的生物信息和功能信息，进而表征生物系统的结构与特征，揭示生物组织和生命体的自组织?自相似?自调节?自适应和遗传性状等的光物理本质，使生命科学直接深入到物质结构的深层次以及生命体相互作用的微观机制和物理本质，建立和发展以新陈代谢作用为主要特征和标志的生物光子学理论，同时还可以利用光子对生物系统进行加工与改造.
同信息光子学?生物光子学等相似，量子光子学?分子光子学?非线性光子学?超快光子学等光子学分支都有它们的研究领域和内容，我们不再对它们进行定义和深入的解释.
本书讲解的主要内容是半导体光子学，这是以半导体材料为介质的光子学，它专门研究光子在半导体材料中的行为和特性，着重研究光在半导体中的产生?传输?控制和探测等特性，进一步设计半导体光子器件的结构并分析其光学性能?探索半导体光子系统和应用，我们将对这些内容进行详细的描述和深入的讨论.
1.2 电子和光子的比较
物质由分子?原子组成，原子由原子核和电子组成，电子是构成原子的基本粒子之一，质量小?带负电?围绕原子核旋转.不同的原子拥有的电子数目不同，例如，每一个氧原子中含有8个电子，每一个硅原子中含有14个电子.原子中的电子围绕原子核旋转，能量低的电子离原子核较近，而能量高的电子离原子核较远.通常把电子在离核远近不同的区域内运动称为电子的分层排布.硅原子中的14个电子分为三层，依次为2?8?4个电子，其最外层为4个电子.原子中的外层电子的数量和运动状态对原子的电学性质具有决定性的作用.电子具有质量，其静止质量为9.109×10-28-;电子带有负电，其电荷e 为-1.602×10-19C.
光子的英文为photon，它的原始名称为是光量子li-htquantum.光子是电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子.光子的静止质量为零，不带电荷;光子的能量是量子化的，其大小为普朗克常数h 同电磁辐射频率ν 的乘积，E=hν，h=6.623773±0.000180×10-27er-??s;光子在真空中的运行速度为光速c，c=299792458ms，一般取c=3×108ms;光子的自旋为1，是玻色子.
电子和光子同时具有波动性和粒子性，表1-1对比了它们的双重特性.在粒子?时空?自旋和偏振取向?能量大小?波长范围相应地为频率范围?传播的方式和速度等特性上存在许多相同或不同之处.
电子是费米子，服从费米-狄拉克统计;光子是玻色子，服从玻色统计.
费米子和玻色子都是基本粒子，是基本粒子的两大分类，有许多不同特点.费米子负责组成物质，玻色子负责传递各种相互作用.费米子的自旋量子数为半整数12，32，，每一个量子态只能有一个粒子，不可能同时有两个粒子，因而遵从泡利不相容原理.玻色子的自旋量子数为整数，每一个量子态可以被任意多个粒子占据，不遵从泡利不相容原理.它们的本质区别在于费米子的自旋为半整数，遵从泡利不相容原理;而玻色子则反之.费米子满足费米-狄拉克分布，玻色子满足玻色-爱因斯坦分布.
光子的传播速度是最快的，在真空中的传播速度为c，电子的传播速度比光子慢许多，总是小于c.电子和光子的运动规律分别采用麦克斯韦方程和薛定谔方程进行描述，求解麦克斯韦方程和薛定谔方程就能够得出它们的能量状态?运动速率等信息.
光同时具有波动性和粒子性，光的这种双重性质为其带来许多特征.它像水面上的波浪?空气中的声音一样在介质中传播，不过光的波长和频率完全不同于水波?声波，光波的波长短得多?频率高得多.通常认为，可见光的波长范围为400~760nm，其对应的频率范围为7.5×1014~3.95×1014Hz.实际上，光是一种电磁波，是波长很短?频率很高的电磁波.
在物理学中，“光”的含义已经扩展了，现在“光”不再只是人眼看得见的可见光，还应该包括远红外光?中红外光?红外光?紫外光?X光等，甚至是太赫兹1012~1013Hz 波.一方面，电学中的电波和光学中的光波都表现出波动特性，都遵循电磁波理论的规律.另一方面，电子和光子都表现出粒子特性.在光的产生过程中，处于高能级上的电子跃迁到低能级上，将多余的能量以光的形式释放出来，就其能量而言，光的产生是以一份份能量辐射的形态出现的，因此光呈现出某种能量单元的粒子特征，即为光量子，简称光子.
光波和光子是光的两种互为依存的形态，光量子本身是一种能量的载体.光子能量E=hν，h 为普朗克常数，h=6.623773±0.000180×10-27er-??s.可见，光的能量是量子化的.
同电子一样，光子也是粒子.然而光子和电子在物理属性上有许多差别.首先，电子是具有电荷的，电子带负电，其电荷大小为e=-4.802233±0.000071×10-10静电单位.光子是电中性的，不带电.在电场的作用下，电子会沿着与电场相反的方向运动，并形成电流.电子和光子的传输速度也是不一样的.半导体中电子和空穴的迁移率会由于半导体材料的不同而不同.在电场的作用下，带电的电子和空穴会发生漂移运动，它们的速率会由于材料和电场的不同而有所变化.光子不带电，在传输过程中，原则上不受电场的影响，也不受RC电阻电容延迟效应的影响，光子在半导体中的传输速率为cn，n 为折射率.虽然该速率比真空中的光速小，但是比电子的传输速率高许多.一般而言，半导体中的电子传输100mm 距离所需时间为纳秒10-9秒量级.光子在半导体中传输100mm 距离所需时间为皮秒10-12秒量级，约为电子速度的1000 倍.此外，电子具有质量，其大小为m = 9.107208±0.000246
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