內容簡介
低維量子器件是微納電子技術研究的核心,低維量子器件物理是現代半導體器件物理的一個重要組成部分,它的主要研究對象是低維量子器件的設計製作、器件性能與載流子輸運動力學等內容。
《半導體科學與技術叢書:低維量子器件物理》主要以異質結雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、共振隧穿電子器件、單電子輸運器件、量子結構激光器、量子結構紅外探測器和量子結構太陽電池為主,比較係統地分析與討論瞭它們的工作原理與器件特性,並對自鏇電子器件、單分子器件和量子計算機等內容進行瞭簡單介紹。
《半導體科學與技術叢書:低維量子器件物理》可作為高等院校相關專業研究生的專業課教學用書,也可供高年級本科生和相關領域的科技工作者閱讀和參考。
作者簡介
彭英纔,河北大學電子信息工程學院教授,博士生導師,日本東京理科大學客座教授。多次赴日本豐橋技術科學大學、廣島大學和東京理科大學進行訪問研究。長期承擔半導體與微電子技術專業的研究生和本科生教學工作。主要從事納米半導體光電信息薄膜材料的製備、結構錶徵、光電特性與器件應用的研究,在國內外期刊上發錶學術論文150餘篇;作為第1編著者,齣版學術專著3部:《納米光電子器件》、《納米太陽電池技術》和《:矽基納米光電子技術》,研究生教材2部:《低維量子器件物理》和《低維半導體物理》。
趙新為,1988年獲日本東京大學工學博士學位。現任日本東京理科大學教授,博士生導師,物理係主任。兼任法國路易帕斯特大學特聘教授,天津大學特約教授,日本東洋大學、河北大學、四川大學和西華大學客座教授。長期從事納米半導體材料、納米磁性材料、光磁半導體材料、太陽能電池、超低溫和超強磁場物理等領域的研究。主持和參與瞭包括日本文部科學省和中國科學院“百人計劃”在內的科研基金課題多項。在國際期刊上發錶論文100餘篇,在國際會議上發錶論文100餘篇,獲技術專利15項,齣版學術專著6部。
傅廣生,教授,博士生導師,河北省管專傢,燕趙學者,享受國務院特殊津貼,現任河北工業大學校長。長期從事光與物質相互作用和光電信息材料領域的研究與教學工作,在Physical Review Letters、Applied Physics Letters、《科學通報》和《中國科學》等國內外學術期刊發錶論文150餘篇,研究成果多次被國內外同行引用。1991年獲得國傢“做齣突齣貢獻的中國博士/碩士學位獲得者”榮譽稱號,並獲多項河北省科技進步奬和教學成果奬。兼任中國物理學會理事、中國光學學會理事、國傢教育部科學技術委員會數理學部委員與河北省物理學會理事長。
內頁插圖
目錄
前言/序言
1969年半導體超晶格概念的提齣,揭開瞭低維半導體材料製備與物理性質研究的序幕。基於能帶工程設計,人們製備瞭各類低維材料與結構,從而為設計和製作各種新型半導體器件開闢瞭廣闊的發展前景,基於量子力學原理,人們揭示瞭各類低維材料所呈現的許多新穎物理性質,從而大大豐富瞭凝聚態物理的研究內容,進一步深化瞭現代半導體物理的研究內涵。1980年高電子遷移率晶體管的誕生,又開闢瞭低維量子器件研究的新領域,其後,各類低維電子輸運器件和光電子器件應運而生,其中,異質結雙極晶體管、共振隧穿電子器件、量子阱激光器與量子阱紅外探測器就是其中的幾個典型範例。1990年納米科學技術的興起,使以量子點為主的納米半導體材料與物理的研究,成為繼半導體超晶格之後又一個新的熱點課題,尤其是量子點自組織化生長技術的日漸成熟,為各類量子點單電子器件和量子點激光器的研製奠定瞭重要物質基礎,進入21世紀以來,自鏇電子器件、單分子器件、單光子器件和光子晶體器件的研究,又把低維量子器件的發展繼續推嚮深入。
毫無疑問,各類低維量子器件及其集成電路將會在21世紀的光通信技術、計算機技術、新能源技術和電子對抗技術中具有十分重要的潛在應用,迄今,人們在深入研究低維半導體物理的同時,已設計和製作瞭各類低維量子器件,並取得瞭豐碩成果。但是,目前國內外尚未齣版體係比較完善和內容比較係統的有關介紹與論述低維量子器件物理的專著或教材,為瞭彌補這一不足,以促進我國低維量子器件的研究與發展,我們在長期從事科研和研究生教學的實踐中,逐漸積纍瞭這方麵的大量相關專業知識,並數易其稿編寫瞭本書。
本書內容大體分為兩大類:第一類為低維電子輸運器件;第二類為低維光電子器件。其具體內容安排如下:第1章簡要迴顧低維量子器件的發展曆史,作為低維量子器件的物理基礎,第2章簡要介紹低維量子結構的能帶特徵、電子狀態、輸運性質和光學性質;第3~6章主要介紹四種電子輸運器件的工作原理與器件特性,其中包括異質結雙極晶體管、高電子遷移率晶體管、共振隧穿電子器件和單電子輸運器件;而第7~9章則主要討論三種光電子器件的工作原理與器件性質,其中包括量子結構激光器、量子結構紅外探測器和量子結構太陽電池;最後,第10章扼要介紹其他幾種低維量子效應器件,如自鏇電子器件、單分子器件以及量子計算機等。
本書可作為高等學校與科研院所相關學科專業研究生的專業課教材,也可供高等學校相關專業的高年級本科生閱讀,同時也可供從事各類低維半導體材料與物理,尤其是從事器件物理研究的相關科技工作者參考閱讀。
由於作者水平有限,書中不妥之處懇請批評指正。
半導體科學與技術叢書:低維量子器件物理 前言 人類對微觀世界的探索從未停止。從原子、分子的奇妙結構,到固體內電子的量子行為,物理學的發展不斷揭示著自然界深刻的奧秘。而半導體材料,作為連接宏觀世界與微觀量子世界的關鍵橋梁,更是孕育瞭信息革命的土壤。在這一廣闊的領域中,隨著技術的進步,我們對半導體器件的理解已不再局限於宏觀的電學特性,而是深入到其內在的量子機製。本書《半導體科學與技術叢書:低維量子器件物理》正是聚焦於這一前沿領域,旨在係統闡述低維量子結構如何重塑我們對半導體器件的認知,並為下一代創新器件的設計與實現奠定堅實的理論基礎。 第一章 緒論:邁嚮量子器件的新紀元 本章將為讀者勾勒齣低維量子器件的宏大圖景。我們首先迴顧半導體技術的發展曆程,強調從體材料到二維(2D)、一維(1D)乃至零維(0D)納米結構的演變,及其帶來的性能飛躍。在此基礎上,我們將深入探討“低維”這一概念的物理意義,解析尺寸效應在微觀尺度上如何打破宏觀物理定律的束縛,催生齣全新的量子現象。例如,量子尺寸效應會導緻材料能帶結構發生改變,形成離散的能級;錶麵和界麵效應在低維結構中占據主導地位,深刻影響載流子的輸運和器件性能。 我們將介紹量子器件的基本構成要素,包括量子阱(Quantum Well)、量子綫(Quantum Wire)和量子點(Quantum Dot)等典型的低維結構,並初步闡述它們在電子和光子學領域的潛在應用。本章還將引導讀者認識到,理解這些低維結構中的量子效應,需要引入量子力學的概念,如波粒二象性、量子疊加、量子糾纏等。最後,本章將展望低維量子器件的未來發展趨勢,包括其在量子計算、量子通信、高性能傳感器以及新型光電器件等領域的顛覆性潛力,激發讀者對本書後續內容的興趣。 第二章 量子力學基礎:理解微觀世界的語言 要深入理解低維量子器件的物理原理,紮實的量子力學基礎是必不可少的。本章將係統梳理與低維量子器件直接相關的量子力學核心概念。我們將從薛定諤方程入手,介紹其在描述微觀粒子狀態演化中的核心地位。隨後,我們將詳細講解波函數及其概率詮釋,以及算符、本徵值和本徵態等基本概念,理解它們如何描述量子係統的可觀測量。 本章的重點之一將是能量的量子化。我們將通過分析粒子在有限深勢阱(對應量子阱)、無限深勢阱(對應量子綫)、以及球形勢阱(對應量子點)中的運動,直觀地展示能量在這些限製條件下的離散化過程,並推導齣相應的能級錶達式。此外,我們還將深入探討量子隧穿效應,闡釋電子如何剋服勢壘,這一現象在許多低維器件(如隧道結)中扮演著至關重要的角色。 對於多粒子係統,我們將引入泡利不相容原理,解釋其在半導體材料中電子填充能級時的重要性,並討論電子氣模型在描述體材料和低維結構中載流子行為時的適用性。本章還可能觸及角動量量子化、自鏇以及量子糾纏等概念,為後續章節中涉及更復雜的量子現象和器件行為打下基礎。 第三章 低維半導體材料的製備技術 器件的性能與其材料的製備工藝息息相關。本章將深入探討製備高質量低維半導體結構的關鍵技術。我們將首先介紹分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)和金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)這兩種主流的晶體生長技術。詳細闡述它們的工作原理、生長環境要求、以及如何精確控製材料的組分、厚度和生長速率,從而實現原子層級的精確堆疊,構建齣具有特定量子結構的異質結。 在提及自組裝技術時,我們將重點介紹量子點和量子綫的形成機製,例如利用材料在特定襯底上的生長不匹配性所産生的應力誘導的自發成核與生長。我們將討論如何通過選擇閤適的襯底材料、生長溫度和組分,來調控自組裝過程,獲得尺寸、形狀和分布均勻的量子納米結構。 此外,本章還將介紹光刻、電子束光刻以及聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)等微納加工技術。這些技術在定義器件的宏觀結構和實現低維結構的電學連接方麵至關重要。我們將討論它們的分辨率限製,以及如何與更底層的量子結構製備技術相結閤,形成完整的器件製造流程。最後,本章將簡要介紹一些新興的低維材料(如二維材料石墨烯、過渡金屬硫化物等)的製備方法,並展望未來更先進、更高效的製備技術。 第四章 量子阱器件:光電轉換的基石 量子阱作為最基礎的低維量子結構之一,是許多高性能光電器件的核心。本章將聚焦於量子阱器件的物理原理及其應用。我們將從量子阱的能帶結構齣發,深入分析在有限深勢阱中電子和空穴的能量量子化特性,推導齣其能級及其空間分布。我們將討論量子限製激子(Quantum-Confined Exciton, QCE)的形成和性質,以及其在光吸收和光發射過程中的關鍵作用。 本章將詳細介紹量子阱的輸運特性。我們將分析載流子在阱內的動量空間分布,以及量子限製對載流子遷移率的影響。我們將探討阱內和阱間的載流子弛豫過程,例如聲子散射和電子-電子散射。 在應用層麵,本章將重點闡述量子阱在激光器和發光二極管(LED)中的應用。我們將深入剖析量子阱激光器的增益機製、閾值電流和激射原理,解釋為什麼量子阱結構能夠實現更低的閾值電流和更高的量子效率。對於LED,我們將探討量子阱如何影響其發光波長、光譜寬度和器件效率。此外,我們還將介紹量子阱探測器的工作原理,以及如何利用其優異的光電轉換特性來構建高性能光電探測設備。 第五章 量子綫器件:載流子輸運的新模式 量子綫,顧名思義,是一種限製載流子在兩個維度上退化的納米結構,使其在剩下的一維方嚮上錶現齣類金屬的輸運特性。本章將深入探討量子綫器件的物理學。我們將首先分析量子綫的能帶結構,解釋其一維化的能級展寬和密度 of states 的奇異性(如狄拉剋尖峰)。我們將討論載流子在量子綫內的動量空間受限,以及這將如何影響其輸運行為。 本章將著重分析量子綫中的量子輸運現象。我們將介紹彈道輸運(Ballistic Transport)的概念,並分析量子綫如何支持無散射的載流子輸運,從而實現極高的遷移率。我們將探討量子綫的電導特性,並分析其是否會呈現齣量子化的電導(例如,通過量子點的串聯)。 在應用方麵,我們將介紹量子綫在高性能晶體管中的潛力,例如提高開關比和降低功耗。我們還將探討量子綫在新型光電器件中的應用,例如用於提高發光效率和實現特定波長輸齣的量子綫LED和激光器。此外,本章還將觸及量子綫的傳感器應用,利用其對外部環境高度敏感的特性來構建高靈敏度的探測器。 第六章 量子點器件:人造原子與量子信息載體 量子點,也被稱為“人造原子”,是納米尺度下能夠將載流子在三個維度上同時限製的零維結構。本章將深入剖析量子點的物理學以及其在器件中的應用。我們將從量子點的形成機製開始,迴顧 MBE、MOCVD 和自組裝技術如何形成不同尺寸、形狀和組分的量子點。我們將詳細分析量子點中離散的能級結構,以及其類比於原子能級的特點。 本章將重點研究量子點的光電特性。我們將探討量子點如何通過吸收和發射光子來産生色彩,並解釋其光譜與尺寸、形狀和環境的依賴關係。我們將深入討論激子在其量子點中的行為,以及如何通過庫侖相互作用來調控激子態。 量子點在信息技術領域具有革命性的潛力,本章將重點關注其在量子計算中的應用。我們將探討如何利用量子點的自鏇或電荷狀態來編碼量子比特(qubit)。我們將分析如何通過電學或光學方法來對量子比特進行初始化、操控和讀齣。此外,本章還將介紹量子點在高效發光器件(如量子點LED)和太陽能電池中的應用,以及如何利用其可調諧的光譜特性來提升器件性能。 第七章 量子隧穿器件:電子的量子跳躍 量子隧穿效應是量子力學中一個反直覺但至關重要的現象,它使得粒子能夠穿過經典力學所不允許的勢壘。本章將聚焦於基於量子隧穿效應的器件。我們將首先深入理解量子隧穿的物理機製,包括隧穿概率的計算以及影響隧穿概率的因素,如勢壘的高度、寬度和粒子的能量。 本章將重點闡述幾種典型的量子隧穿器件。首先是 the Esaki(隧道)二極管,我們將分析其負微分電導特性,並探討其在高速電子電路中的應用。接著,我們將討論 the resonant tunneling diode (RTD),重點分析其在高電流密度下的共振隧穿機製,以及如何利用其快速的開關特性來實現高速振蕩器和邏輯門。 本章還將介紹 the single-electron transistor (SET) 作為一種極具潛力的納米電子器件。我們將分析 SET 的工作原理,以及它如何通過庫侖阻塞效應來精確控製單個電子的隧穿。最後,本章將簡要介紹其他基於隧穿效應的器件,如 the magnetic tunnel junction (MTJ) 在磁性存儲器中的應用,以及新興的量子隧穿器件在納米傳感器和量子信息處理中的前景。 第八章 低維量子器件的輸運理論 本章將深入探討低維量子器件中載流子輸運的理論基礎。我們將從經典輸運理論齣發,介紹其在描述宏觀尺度下的局限性,並引齣量子輸運理論的必要性。我們將詳細講解 Landauer-Büttiker 理論,理解其如何通過電子的散射矩陣來描述電導,並解釋量子綫和量子點中的彈道輸運和散射輸運。 本章的重點之一將是微擾理論在計算輸運係數中的應用。我們將討論如何利用費米黃金定則來計算散射率,並分析不同散射機製(如聲子散射、雜質散射、錶麵粗糙度散射)對載流子輸運的影響。我們還將介紹玻爾茲曼方程及其在描述半導體中載流子動量分布函數演化中的作用。 在更復雜的低維結構中,我們將討論多體效應(many-body effects)對輸運的影響。例如,電子-電子相互作用在量子點和量子綫中會産生重要的屏蔽效應和庫侖阻塞現象。本章還將簡要介紹非平衡格林函數(Nonequilibrium Green's Function, NEGF)方法,這是一種強大的理論工具,能夠處理復雜量子器件中的非平衡輸運問題。 第九章 低維量子器件中的量子相乾性與退相乾 量子相乾性是實現量子計算和量子信息處理的核心。本章將聚焦於低維量子器件中量子相乾性的産生、維持和保護。我們將首先迴顧量子相乾性的概念,並解釋它在量子比特操作中的重要性。 本章將深入探討導緻量子相乾性損失的退相乾機製。我們將分析與環境的相互作用,如聲子耦閤、電場噪聲、磁場波動等,以及它們如何導緻量子態的疊加和糾纏態的破壞。我們將介紹朗道-齊納(Landau-Zener)理論,理解其在描述量子係統穿越簡並點時發生的絕熱近似失效。 為瞭維持和保護量子相乾性,我們將介紹一些重要的技術和策略。例如,在量子計算中,我們將討論量子糾錯碼(Quantum Error Correction Codes)的設計原理,以及如何利用冗餘來保護量子信息。我們還將探討利用量子態的“弱測量”技術來監測量子係統的狀態而不破壞其相乾性。本章還將介紹量子絕熱計算(Adiabatic Quantum Computing)的概念,以及其如何利用量子絕熱定理來執行復雜的計算任務。 第十章 低維量子器件的先進應用與未來展望 在本書的最後一章,我們將對低維量子器件的最新進展和未來發展進行展望。我們將迴顧前幾章所介紹的各種低維量子器件,並探討它們在各個領域的集成應用。 在量子計算領域,我們將深入探討不同的量子比特實現方案,包括基於量子點、量子綫、超導電路以及拓撲量子比特的優勢和挑戰。我們將討論量子計算機的硬件架構和可擴展性問題,以及如何構建大規模量子計算係統。 在量子通信領域,我們將介紹量子密鑰分發(Quantum Key Distribution, QKD)的原理,以及如何利用低維量子器件(如單光子源和單光子探測器)來實現安全的通信。我們將展望量子網絡和量子互聯網的構建,以及其對未來信息基礎設施的影響。 此外,本章還將討論低維量子器件在其他前沿領域的應用,例如: 新型傳感器: 利用量子點和量子綫的獨特量子效應,開發高靈敏度、高選擇性的生物傳感器、化學傳感器和物理傳感器。 自鏇電子學: 探索利用電子的自鏇自由度來存儲和處理信息,並介紹自鏇注入、自鏇輸運和自鏇操控等技術在低維結構中的實現。 太赫茲(THz)器件: 利用低維結構的優異電學和光學特性,開發高性能的太赫茲輻射源、探測器和調製器,滿足在成像、通信和安全檢查等領域的應用需求。 集成光電子器件: 將低維量子器件與現有半導體技術相結閤,實現更高效、更小巧的光電器件,例如高性能光通信模塊和集成光子芯片。 最後,本章將對低維量子器件未來的研究方嚮進行預測,包括對新材料的探索(如二維半導體、拓撲材料),對新型量子現象的挖掘,以及對更復雜量子係統的理論建模和實驗驗證。本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角,理解低維量子器件的科學原理、製備技術和廣泛應用,並激發讀者在這一充滿活力的領域中進行進一步的探索和創新。