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量子異質結構理論與計算
  • 書     名:量子異質結構理論與計算
  • 出版時間:2021-09-23
  • 編 著 者:劉玉敏 俞重遠
  • 版       次:1-2
  • I  S  B N:978-7-5635-6425-5
  • 定       價:¥96.00元

內容簡介線

本書從半導體量子異質結構的晶格失配出發,首先介紹了彈性力學的基本概念和基本理論,并在此基礎上討論了應變量子異質結構應力、應變分布的模型和計算方法。此外,原子勢函數法也廣泛應用于量子異質結構應力、應變計算,本書對其也做了適當的介紹。本書以位錯理論為基礎,討論了異質結構中位錯應力、應變分布的有限元計算方法,并以能量平衡判據分析了異質結構中位錯產生的臨界厚度或臨界尺寸;谀芰孔顑灮,本書分析了熱力學平衡條件下量子異質結構的材料組分與形貌、尺寸的相關性。在組分和應變的基礎上,本書介紹了能帶結構計算的多帶k·p理論、量子異質結構中電子結構的計算方法,以及如何采用應變工程的方法調控量子異質結構的生長和光電特性。最后本書介紹了腔量子電動力學理論及其在“光學微腔+量子點”系統的應用,并介紹了基于幾何投影法設計和優化光學微腔的結構,以提高量子點自發輻射率和輻射光子的捕獲率。
本書可供半導體光電子專業的研究生和高年級本科生使用,或者供從事相關專業的工程技術人員參考。

目錄介紹線


目錄

第1章量子異質結構概述1

1.1“異質”的理解1

1.1.1晶格失配2

1.1.2帶邊失配6

1.1.3折射率失配9

1.1.4熱失配10

1.1.5介電常數失配11

1.2“量子”的理解11

1.3量子異質結構的制備13

1.4載流子的統計特性14

1.4.1量子統計分布函數14

1.4.2量子態密度16

1.4.3半導體中的載流子濃度24

本章參考文獻26

第2章應力應變基礎29

2.1應力與應變的概念29

2.1.1位移與應變張量30

2.1.2應力張量31

2.2應力與應變的關系:廣義胡克定律33

2.2.1簡化下標與勁度矩陣34

2.2.2立方晶體的彈性常數35

2.2.3六角晶體的彈性常數36

2.3彈性各向異性38

2.4應變能密度43

本章參考文獻44

第3章異質結構的應力應變計算47

3.1晶格失配47

3.2應變量子阱49

3.2.1應變分布49

3.2.2任意方向外延量子阱薄膜的有效雙軸模量52

3.2.3量子阱超晶格的應變平衡55

3.3應變量子線58

3.3.1平面應變問題59

3.3.2量子線應變分布的有限差分法60

3.3.3格林函數法63

3.3.4有限元法66

3.4自組織量子點的應變分布67

3.4.1Eshelby的inclusion理論68

3.4.2格林函數法(各向同性)71

3.4.3傅里葉空間的格林函數法(各向異性)74

3.4.4半空間問題的inclusion理論76

3.4.5有限差分法 78

3.4.6有限元法80

3.5原子勢函數法計算量子點的應變分布84

3.5.1StingerWeber勢函數84

3.5.2價力場勢函數85

3.5.3Tersoff勢函數87

3.5.4應力應變分布的原子勢函數仿真88

本章參考文獻90



第4章異質結構中的位錯96

4.1位錯類型與伯格斯矢量96

4.1.1基本位錯類型96

4.1.2伯格斯矢量99

4.2位錯的應力、應變分布100

4.2.1應變分布100

4.2.2位錯的應變能103

4.3位錯力105

4.4位錯應變分布的有限元計算110

4.5立方晶體和六角晶體中的位錯113

4.5.1金剛石和閃鋅礦結構中的位錯113

4.5.2金剛石和閃鋅礦結構的貫穿位錯114

4.5.3金剛石和閃鋅礦結構的失配位錯114

4.5.4六角晶體中的位錯115

4.5.5六角晶體中的穿透位錯116

4.5.6六角晶體中的失配位錯116

4.6異質外延薄膜的臨界厚度117

4.6.1MB力平衡模型117

4.6.2van der Merwe模型120

4.6.3PB模型120

4.6.4壓應變與張應變外延的區別122

4.7納米襯底外延123

4.7.1剛性納米襯底外延薄膜的臨界厚度(Suhir模型)123

4.7.2協變納米襯底外延層的臨界厚度(Zubia模型)125

4.7.3三維受限的納米外延131

4.8納米襯底位錯應變計算的有限元法135

4.9納米襯底異質外延臨界厚度的有限元法139

4.9.1外延薄膜的臨界厚度140

4.9.2三維臺型納米襯底外延的臨界厚度143

4.9.3納米線軸向異質外延薄膜的臨界厚度146

4.9.4納米線軸向異質外延臨界厚度的PK法154

4.10應變異質外延量子點的位錯形成位置和臨界尺寸158

4.10.1自組織量子點位錯的優先形成位置158

4.10.2自組織量子點的臨界尺寸170

4.11其他與位錯有關的問題179

本章參考文獻181

第5章異質外延生長理論與仿真187

5.1動力學蒙特卡羅法模擬外延生長的基本理論187

5.1.1生長過程中的勢壘188

5.1.2晶格氣模型、SOS假定以及offlattice模型192

5.1.3周期邊界條件193

5.2動力學蒙特卡羅算法194

5.2.1動力學蒙特卡羅算法流程194

5.2.2事件選擇算法196

5.2.3動力學蒙特卡羅算法基礎測試198

5.2.4理想均勻襯底同質外延的表面形態199

5.3格林函數方法計算應變201

5.4KMC仿真實驗和表面形態204

5.4.1預應變襯底——垂直有序生長條件的優化204

5.4.2溫度對半導體三維島生長的影響208

5.4.3沉積速率對半導體量子點生長的影響210

5.4.4生長中斷對原子島表面形態的影響211

5.4.5原子結合能對量子點組分分布的影響212

5.5基于襯底工程的結構襯底量子點定位生長研究213

5.6動力學蒙特卡羅方法仿真自組織量子環216

5.6.1量子環的自組織生長模型217

5.6.2自組織量子環生長尺寸的設計和優化218

5.7基于連續性方程的外延薄膜表面演化221

5.7.1半導體外延薄膜演化的方法介紹222

5.7.2基于參數優化的薄膜演化數值實現224

本章參考文獻225

第6章異質外延半導體納米結構的組分分布230

6.1應變異質外延量子點的組分分布230

6.1.1熱力學平衡組分分布理論232

6.1.2移動漸近線方法235

6.1.3GeSi/Si(001)量子點組分分布238

6.1.4InGaAs/GaAs(001)量子點組分分布243

6.1.5量子點相互作用引入的組分分布246

6.1.6位錯芯附近的應變對組分分布的影響250

6.2穩態合金半導體納米線軸向組分分布252

6.2.1瞬態合金納米線生長模型253

6.2.2GaAs基合金半導體納米線軸向組分分布255

6.2.3穩態合金納米線生長模型259

本章參考文獻261

第7章電子結構計算266

7.1單帶k·p及有效質量近似266

7.1.1能量相關的有效質量近似266

7.1.2單帶有效質量近似269

7.1.3單帶有效質量近似在量子異質結構中的典型應用271

7.2數值計算方法275

7.2.1有限差分法275

7.2.2平面波展開法279

7.2.3基于偏微分方程組的有限元法282

7.2.4薛定諤方程的自洽解282

7.3多帶k·p理論285

7.3.1閃鋅礦半導體285

7.3.2纖鋅礦半導體的k·p公式296

7.4壓電效應299

7.4.1壓電效應與壓電勢299

7.4.2半耦合與全耦合模型304

7.5在量子異質結構中的應用305

7.5.1有限元法305

7.5.2平面波展開法308

本章參考文獻312

第8章量子異質結構應變工程及應用316

8.1隔離層和蓋層對量子點應變分布的影響316

8.1.1物理模型317

8.1.2隔離層和蓋層的影響318

8.2量子點應變補償322

8.2.1應變補償物理機制323

8.2.2應變補償模型324

8.2.3應變補償方案設計325

8.2.4應變補償層對量子點光學特性的影響329

8.3應變減少層調控量子點發光波長331

8.3.1應變減少層的物理模型332

8.3.2應變減少層對應變、帶邊和發光波長的影響332

8.3.3其他應變減少層材料336

8.4異變外延及應用337

8.5位錯過濾技術339

8.5.1InAs/GaAs量子點位錯過濾341

8.5.2貫穿位錯過濾的臨界條件344

8.5.3AlN/GaN量子點的位錯過濾346

8.6臺形襯底外延量子點的組分形貌控制349

8.6.1Si/Ge量子點在正方臺形襯底的異質外延349

8.6.2AlN/GaN量子點在六角臺形襯底的異質外延355

8.7刻蝕圖形襯底納米島的應變弛豫和電子結構361

8.7.1Si(001)襯底上生長GeSi納米島361

8.7.2GaAs(001)襯底In(Ga)As納米島的電子結構370

8.8基于應變的量子點有序生長控制379

本章參考文獻383

第9章量子點與微腔相互作用及光學結構設計391

9.1量子點與微腔耦合的腔量子電動力學系統391

9.1.1JaynesCummings模型392

9.1.2存在耗散的JC模型與主方程393

9.2基于量子點的單光子源394

9.2.1單光子源與二階相關函數394

9.2.2光子阻塞效應395

9.2.3量子點雙模腔耦合系統亞泊松分布光的產生397

9.3磁場作用下量子點腔的光開關和光邏輯401

9.3.1磁場作用下的量子點與微腔耦合系統402

9.3.2磁場作用量子點微腔的光開關和光邏輯應用405

9.4基于量子點雙模腔耦合系統的少光子光開關和邏輯門409

9.4.1系統哈密頓量409

9.4.2系統的能級結構與干涉相消410

9.4.3系統模式轉換時間412

9.4.4基于干涉相消的開關效應414

9.4.5基于串級系統的AND和OR邏輯門417

9.5光子晶體微腔的結構設計420

9.5.1不同對稱結構的光子晶體平板腔421

9.5.2幾何投影法425

9.5.3光子晶體腔的幾何投影法優化429

9.6單光子器件納米線頂端結構的優化432

9.6.1模型與優化方法433

9.6.2優化結果435

本章參考文獻438
附錄A四元合金半導體的參數擬合公式443
附錄B坐標變換與張量變換444
附錄C彈性張量坐標變換數值程序447
附錄DMathematica彈性張量坐標變換數值程序450
附錄E對坐標的曲線積分和曲面積分453
附錄F三維量子點形狀特征函數的傅里葉變換458





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