半導體納米器件：物理、技術和應用

David A. Ritchie：劍橋大學卡文迪什實驗室的實驗物理學教授、半導體物理學組的負責人，劍橋大學羅賓遜學院的研究員和物理學研究主任，斯旺西大學半導體科學與技術專業教授。他的研究重點是半導體物理學，在低維電子和光學結構的生長、制造和測量方面有豐富的經驗。

第1章介紹、背景和內容1

第2章準一維電子氣4
2.1介紹4
2.2實驗5
2.3一維器件的量子傳輸性質5
2.3.1冷卻5
2.3.2橫向電子聚焦6
2.3.3通過橫向電子聚焦的自旋排斥7
2.3.4多體效應和基態維格納晶體8
2.3.5跨雙行的源極-漏極偏壓9
2.3.6面內磁場對雙行的影響10
2.3.7無磁場分數態11
2.3.8載流子密度變化的影響12
2.3.9面內磁場的影響13
2.3.10具有分數態的非線性傳輸13
參考文獻15

第3章半導體納米器件作為強電子相關的測量18
3.1費米液體理論的失效18
3.1.1朝永-盧廷格液體模型19
3.1.2自旋朝永-盧廷格液體21
3.1.3譜函數和冪律行為22
3.2朝永-盧廷格液體行為的早期研究23
3.2.1光電子能譜24
3.2.2輸運測量25
3.2.3磁隧穿譜26
3.3超越線性朝永-盧廷格液體近似31
3.3.1非線性朝永-盧廷格液體的移動雜質模型32
3.3.2遠離費米點的模式層次33
3.4非線性效應研究進展34
3.4.1一維“覆制品”模式34
3.4.2動量相關的冪律34
3.4.3高能量下自旋子和空穴子的壽命37
3.4.4非線性碳納米管37
3.5一維相互作用效應其他進展38
3.5.1庫侖阻力38
3.5.2螺旋電流38
3.5.3冷原子39
3.6小結39
參考文獻39

第4章量子點熱電特性42
4.1熱電的Landauer-Büttiker唯象理論42
4.2量子點模型43
4.3量子極限45
4.4庫侖振蕩和熱電勢45
4.5簡並的影響48
4.6功率因子和品質因數49
4.7對維德曼-弗蘭茲定律的違背51
4.8非線性區域52
4.9輸出功率和效率54
4.10應用56
4.11小結59
參考文獻59

第5章單電子源64
5.1單電子源的類型64
5.1.1旋轉柵量子點單電子轉移64
5.1.2多結單電子泵66
5.1.3超導體-普通金屬混合旋轉柵67
5.1.4表面聲波單電子轉移68
5.1.5可調諧勢壘量子點泵71
5.1.6介觀電容器72
5.1.7懸浮子73
5.2量子電流標準75
5.2.1SI安培的實現76
5.2.2量子計量三角76
5.2.3多結泵電容器充電實驗77
5.2.4可調諧勢壘泵的電流量化精度78
5.3電子量子光學80
5.3.1漢伯里·布朗和特維斯幾何結構中的分區噪聲測量81
5.3.2Hong-Ou-Mandel效應的不可區分性測試82
5.3.3量子層析成像83
5.3.4波包傳輸中的退相幹和弛豫85
5.4小結87
參考文獻87

第6章半導體納米器件的噪聲測量91
6.1介紹91
6.2量子散粒噪聲的物理學92
6.2.1量子散粒噪聲的二項式統計92
6.2.2散粒噪聲的量子散射方法96
6.3噪聲測量技術101
6.3.1低頻散粒噪聲測量技術101
6.3.2高頻散粒噪聲測量技術105
6.4半導體納米器件中的散粒噪聲106
6.4.1散粒噪聲的量子抑制106
6.4.2散粒噪聲中的高頻效應116
6.4.3分數量子霍爾效應：分數電荷的散粒噪聲測量121
6.4.4使用散粒噪聲測量研究雙粒子相關性和幹涉130
6.4.5用於電子量子光學的散粒噪聲測量134
6.5結論143
參考文獻144

第7章拓撲絕緣體納米帶中的電學輸運和超導輸運150
7.1介紹150
7.2TI中的電學輸運概述151
7.2.1電導率的溫度依賴性151
7.2.2垂直磁場中的3D TI152
7.3TI納米帶中的電學輸運153
7.4TI納米帶中的超導輸運158
7.4.1TI納米帶中臨界電流的溫度依賴性160
7.4.2TI納米帶約瑟夫森結中的Aharonov-Bohm效應161
7.5總結與展望162
參考文獻163

第8章矽量子比特器件166
8.1介紹166
8.1.1摩爾定律166
8.1.2量子計算166
8.1.3量子計算平台167
8.1.4關於本章168
8.2加工制造168
8.2.1矽主體材料168
8.2.2矽-金屬氧化物半導體（Si-MOS）169
8.2.3Si/SiGe170
8.2.4SOI171
8.3矽自旋量子比特173
8.3.1單自旋量子比特173
8.3.2單重態-三重態量子比特177
8.3.3自旋讀出177
8.4未來發展180
參考文獻180

第9章半導體量子點單光子源的電學控制185
9.1介紹與動機185
9.2單量子點光子源的二極管設計185
9.2.1用於量子點電場控制的異質結構185
9.2.2提高單量子點光子收集效率的異質結構188
9.3量子點內部能級控制189
9.3.1中性躍遷的電場控制189
9.3.2帶電躍遷的電場控制192
9.4量子點控制的混合方法193
9.4.1可調諧電致發光量子點光源193
9.4.2采用可調光源結合相幹光控制194
9.4.3應變和電場可調量子點195
9.5未來發展195
參考文獻196

第10章半導體量子點太陽能電池200
10.1介紹200
10.2QD-IBSC中量子效率的漂移-擴散分析201
10.2.1介紹201
10.2.2仿真方法202
10.2.3結果與討論204
10.3使用場阻尼層提高QDSC中的載流子收集效率206
10.3.1使用場阻尼層的QDSC能帶結構工程206
10.3.2寬禁帶材料蓋帽對使用FDL的QDSC的影響211
10.4QDSC中TSPA過程的FTIR光譜213
10.4.1兩步光吸收光譜213
10.4.2In（Ga）As QDSC的FTIR光電流光譜213
10.4.3In（Ga）As QDSC的二維光電流激發光譜215
10.5結論217
參考文獻218

第11章矽上單片Ⅲ-Ⅴ族量子點激光器220
11.1介紹220
11.2矽上量子點激光器的優勢221
11.2.1半導體量子點221
11.2.2矽基激光器中量子點優於量子阱的優勢221
11.3矽上Ⅲ-Ⅴ族材料的異質外延生長223
11.3.1異質外延生長的挑戰223
11.3.2高質量Ⅲ-Ⅴ/Si外延的解決方案224
11.4矽上Ⅲ-Ⅴ族量子點激光器的現狀227
11.4.1矽上法布里-珀羅邊發射激光器227
11.4.2矽上的單模量子點邊發射激光器230
11.4.3矽上的量子點鎖模激光器233
11.4.4矽上的量子點微腔激光器233
11.4.5矽上的量子點光子晶體激光器236
11.5矽上量子點激光器的未來發展方向237
11.6結論237
參考文獻238

第12章半導體納米線激光器的物理和應用245
12.1介紹245
12.2激光器246
12.2.1激光基礎247
12.2.2納米級激光器腔體設計251
12.2.3激光閾值251
12.3作為激光器元件的納米線255
12.3.1納米線生長255
12.3.2納米線激光器用材料體系256
12.4納米線激光器技術的當前課題259
12.4.1量子限制259
12.4.2光耦合261
12.4.3等離激元261
12.5現狀和前景262
參考文獻262

第13章氮化物單光子源275
13.1介紹275
13.1.1單光子源的概念275
13.1.2單光子源的關鍵測量276
13.1.3“理想”單光子源的基本特性277
13.2量子點制備基本原理277
13.2.1平面上的自組裝278
13.2.2納米棒的自組裝282
13.2.3量子點形成的光刻方法283
13.3用於單光子發射的量子點基本性質284
13.3.1三維限制的物理學284
13.3.2Ⅲ族氮化物量子點的特殊性質和針對單光子發射的思考286
13.4氮化物量子點單光子源的優缺點287
13.5基於氮化物中缺陷的單光子源289
13.6展望290
參考文獻291

附錄中英文術語對照295