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作者簡介

Marius Grundmann，德國萊比錫大學物理學教授，研究領域包括薄膜、納米結構、基于氧化物材料和碘化銅的透明器件、異質結構和微腔。

譯者簡介

姬揚，博士，研究員，博士生導師。在中國科學技術大學獲得學士和碩士學位。1998年在中國科學院半導體研究所獲得理學博士學位。在以色列魏茲曼研究所做了4年博士后。自2002年起，在中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室工作，從事半導體自旋物理學方面的實驗研究。發表過多篇學術論文，已經翻譯出版過5本學術著作和1本社科著作。

內容簡介

本書介紹了半導體物理和半導體器件，包括固體物理、半導體物理、各種半導體器件的概念及其在電子學和光子學中的現代應用。全書包括三部分內容：半導體物理學的基礎知識（第1—10章）、專題（第11—20章）與半導體的應用和器件（第21—24章）。第1章介紹半導體物理學的歷史沿革，按照時間順序給出歷史上半導體相關的重要時刻和事件。第2—10章講述半導體物理學的基礎知識，包括：化學鍵、晶體、缺陷、力學性質、能帶結構、電子的缺陷態、輸運性質、光學性質、復合過程。第11—20章是專題，包括：表面、異質結構、二維半導體、納米結構、外場、極性半導體、磁性半導體、有機半導體、介電結構、透明導電的氧化物半導體。第21—24章是半導體的應用和器件，包括：二極管、電光轉換器件、光電轉換器件、晶體管。本書內容豐富（除了24章正文以外，還有11個附錄），圖文并茂（大約有1000張圖片和表格），參考資料豐富（大約有2200篇參考文獻），經過多年教學實踐的檢驗，是一本優秀的教科書。本書可以在沒有或者只有很少固體物理學和量子力學知識的基礎上學習，適合研究生和高年級本科生學習，也可以作為半導體科研人員的參考書。

譯者的話

20世紀初的發展的量子力學和相對論改變了我們對世界的認識，而20世紀中期開始迅猛發展的半導體科技是我們改造世界的利器，半導體電路在每個家庭里都是司空見慣，半導體改變了我們工作、交流、娛樂和思考的方式。半導體物理學是半導體科技的基礎，是量子理論在固體材料中的應用，半導體科技的未來發展也離不開量子理論和半導體物理學的進步。可是大家對半導體的了解還不太多，現在的一些教材也不太能夠跟上時代的步伐。

這是我翻譯的第三本關于半導體的書。

第一本是M. I. 迪阿科諾夫編著的《半導體中的自旋物理學》，科學出版社2010年出版。這本書介紹了半導體自旋物理學的前沿進展，適合這個半導體科學專門領域的研究生和研究人員使用。

第二本書是約翰·奧頓著的《半導體的故事》，中國科學技術大學出版社2014年出版。這是關于半導體科學技術發展的高級科普圖書，重點描述了許多半導體器件的誕生和發展過程，注重科學概念、技術細節和歷史沿革，面向的是對半導體科學技術感興趣的讀者。

現在這本《半導體物理學》介于前兩者之間，第1章《簡介》大致對應于《半導體的故事》，第17章《磁性半導體》大致對應于《半導體中的自旋物理學》，基礎知識部分當然也與二者有一些交集。總的來說，它的廣度遠遠超出，而深度略有不及，符合它自己的定位：既不是偏重于歷史發展的科普，也不是偏重于前沿進展的綜述，而是著重于半導體物理學基礎和應用的通論，包括納米物理學及其應用。

這本書介紹半導體物理和半導體器件，包括固體物理、半導體物理、各種半導體器件的概念及其在電子學和光子學中的現代應用。《半導體物理學》包括三大部分的內容：半導體物理學的基礎知識（第一部分，第1-10章）、專題（第二部分，第11-20章）和半導體的應用和器件（第三部分，第21-24章）。

這本書的原著在2006年出版，在2010年、2016年和2021年都做了增補和修訂，現在已經是第4版了，可以說是緊跟時代的步伐。這本書內容豐富（除了24章正文以外，還有11個附錄），圖文并茂（大約有1000張圖片和表格），參考資料豐富（大約2200篇參考文獻），經過多年教學實踐的檢驗，是一本優秀的教科書，適合研究生和高年級本科生使用，也可以作為半導體科技人員的參考書。這本書唯一遺憾的是沒有習題，但是，專業學習是為了將來解決科研和生產過程中具體問題，而不是為了做題和考試，所以也是可以理解的吧。

2009年，我開始在中國科學院大學研究生院（當時的名稱還是中國科學院研究生院）講授《半導體量子電子器件物理》。現在已經講過13遍了。

1998年，為了幫助研究生了解新型半導體器件的工作原理，應中國科學院研究生院的邀請，半導體研究所開設了一門課程《半導體量子器件物理》，由余金中、王良臣和李國華老師共同講授，他們各自選擇、整理、編寫并講授相對獨立又互相聯系的的教學內容。自2005年起，這門課程分為兩門課程，即《半導體量子光電子器件物理》和《半導體量子電子器件物理》。《半導體量子光電子器件物理》偏重于介紹與光學有關（主要是激光器、發光二極管和光電探測器件等）的半導體量子電子器件的工作原理、結構與特性，由余金中老師講授。《半導體量子電子器件物理》主要介紹與電學有關的半導體量子電子器件的工作原理、結構與特性，由王良臣老師和李國華老師講授。

《半導體量子電子器件物理》這門課程又分為兩部分：第一部分介紹的是目前已經比較成熟的半導體量子器件，包括高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質結雙極晶體管（HBT），同時結合器件的制作介紹了制備半導體器件的典型工藝流程，由王良臣老師講授。2009年，王良臣老師退休了，楊富華老師開始講授這部分內容。

第二部分介紹的是仍然處在原型器件研究階段的量子電子器件如共振隧穿器件、量子干涉器件、單電子器件等，由李國華老師講授。2007年，李國華老師退休了，2008年的課程由孫寶權老師講授了一遍。孫老師因故不能長期承擔教學任務，自2009年起，我負責講授這部分內容。我根據李國華老師的講義，重新編寫了教學提綱和授課內容，并添加了一些前沿進展介紹，主要是半導體自旋電子學方面的進展（當時我正在翻譯《半導體中的自旋物理學》）。2013年，我又重新修訂了一遍，在課程中增加了一些歷史知識（當時我正在翻譯《半導體的故事》）。但是我仍然希望進一步改進授課的內容。

大概是2017年吧，我在書店碰到了現在這本書，世界圖書出版公司的影印版《半導體物理學（第2版）》（整本書只有出版公司和書名是中文），買回來認真讀了一遍，覺得很不錯，考慮把它融入到我的課程里。后來又見到了這本書的第三版（這是在中國科學院工作的一個好處），發現新版增補了很多內容。2018年，我翻譯了這本書的目錄，對全書的框架有了更明確的認識；2019年，我翻譯了這本書所有圖片的說明文字，對全書有了更深刻的認識；2020年遇到了新冠疫情，所有的授課通過網絡進行，意外地解除了我每次上課都要在路上來回四五個小時的奔波之苦，我利用這個機會翻譯了全書的其他部分。然后我開始聯系出版事宜，中國科學技術大學出版社表示感興趣。肖向兵編輯的感覺很敏銳，他從斯普林格公司（Springer）公司那里了解到這本書將要出第4版，就安排先按照第3版的譯文排版，等第4版出來以后再增補新的譯文。2021年新版出來以后，我也拿到了出版社排好的中譯本清樣，對照著把修改和增補的內容添加進去，同時也相當于做了一次校對。現在，這本書終于要和讀者見面了。

由于本人的精力和能力所限，翻譯難免有些疏漏之處，請讀者諒解。如果您發現有翻譯不當之處，請多加指正。來信請寄jiyang@semi.ac.cn。

2014年，我為《半導體的故事》寫了“譯者的話”，其中介紹一些與半導體物理和器件有關的中文書籍(包括外文教材的中譯本)，現在轉錄在這里，希望能夠對讀者有些幫助：“固體物理學方面主要是黃昆的《固體物理學》和基泰爾的《固體物理導論》，內容更深的是馮端和金國鈞的《凝聚態物理學》。我國第一本半導體教科書是黃昆和謝希德的《半導體物理學》(科學出版社，1958年)。國內采用最多的教材可能是劉恩科的《半導體物理學》(主要面向工科特別是電子科學和技術類的學生)和葉良修的《半導體物理學》(主要面向理科特別是物理系的學生)。國際上的標準教材當然是施敏（S. M. Sze）的《半導體器件物理》、《半導體器件物理和工藝》以及《現代半導體器件物理》，國內都已經有了譯本。近年還翻譯引進了一些國外教材，例如《半導體材料物理基礎》、《芯片制造：半導體工藝制程實用教程》和《半導體物理與器件》。科學出版社從2005年起開始出版《半導體科學與技術叢書》，現在已經有20多本，從各個方面介紹半導體科技的前沿發展。”

感謝格倫德曼教授耐心回答我在翻譯中遇到的問題。感謝半導體超晶格國家重點實驗室和中國科學院半導體研究所對我工作的長期支持，感謝中國科學院大學材料和光電學院以及物理學院對我教學工作的支持。感謝很多老師、朋友、同事和學生們對我的支持和幫助。

感謝全家人特別是妻女多年來的鼓勵、支持和幫助。

姬揚，2021年12月6日

中國科學院半導體研究所

中國科學院大學材料科學和光電技術學院

內容節選 第14章 納米結構

在我看來，物理學的原理并不否定逐個原子地操縱事物的可能性。

——費曼，1959年

摘要

討論了一維納米結構（量子線）和零維結米結構（量子點），它們的各種制作方法和可調節的物理性質，介紹的主要效應包括改變的態密度，受限的能級、（包絡）波函數的對稱性以及相應的新的電學和光學性質。

14.1 簡介

當功能元件的結構尺寸達到德布羅意物質波長的范圍時，量子力學效應主導了電學和光學性質。最激烈的影響可以從態密度看到（圖14.1）。勢場里的量子化由薛定諤方程和適當的邊界條件確定。如果假設無限高的勢，這些就最簡單·對于有限高的勢，波函數泄漏到勢壘里。除了讓計算變得更加復雜（也更加現實〕以外，還允許納米結構的電子耦合。通過庫侖相互作用，即使沒有波丞數重疊，也可以有耦合。下面討論量子線 (QWR)和量子點(QD)的一些制造技術和性質。特別是量子點，有好幾本教科書可以參考[1339,1340]。

圖14.1 三維、二維、一維和零維電子體系的結構和態密度示意圖

14.2 量子線

14.2.1V形溝槽量子線

光學質量高（復合效率高，譜線清晰）的量子線，可以外延生長在有波紋起伏的襯底上。這個技術如圖14.2所示。利用各向異性的濕法化學腐忡，在GaAs襯底上腐蝕出V形溝槽。這個溝槽的方向沿著。即便腐蝕出的圖案在底部不是非常尖銳的，接下來生長的AIGaAs也讓頂端尖銳了，達到自限制的半徑是10 nm的量級。溝槽的側面是{111} A 。接下來沉積GaAs,使得異質結構的上方半徑更大，。在溝槽底部形成了新月形的GaAs量子線，如圖14.3（a）所示。在側面（量子阱的側壁）和頂部隆起處也形成了薄的GaAs層。接下來生長的AIGaAs使得V形溝槽重新尖銳，達到初始的自限制的數值經過足夠厚的AIGaAs層，達到完全的重新尖銳，使得新月形的量子線垂直地堆垛，尺寸和形狀幾乎完全相同，如圖14.3（b）所示。在這個意義上，曲率半徑的自限制的減小及其在生長勢壘層時的恢復，導致了量子線陣列的自有序，其結構參數只取決于生長參數。這種量子線的橫向尺寸(lateral pitch)可以小到240 nm。

圖14.2 在有溝槽的襯底上生長GaAs/AIGaAs異質結的截面示意圖，表明了自有序制備量子線的概念改編自文獻[1341]，獲允轉載，1992，Elsevier Ltd

為了直接看到帶隙的橫向調制，垂直穿過量子線的橫向的陰極熒光(CL)線掃描譜如圖14.4所示。圖14.4（a）是來自圖14.3（a）的樣品的二次電子(SE)像的平面視圖。在圖的上部分和下部分，可以看見上面的山脊(top ridge),而在中間部分，側壁和位于中心的量子線顯而易見。圖14.4（b）給出了垂直于量子線（在圖14.4（a）里用白線指出）的線掃描的CL譜。x軸是發射波長，y軸是沿著線掃描方向上的位置。CL 強度以對數標度給出，以便顯示全部的動態范圍。頂部的量子阱幾乎沒有表現出帶隙能量的變化(λ=725 nm)；只是在直接靠近側壁的邊緣處，出現了另一個能量更低的峰(λ= 745 nm)，說明那里是更厚的區域。在頂部量子阱的邊緣，側壁量子阱表現的 700nm復合波長逐漸增大到V形溝槽中央的大約730 nm。這樣就直接看到了，側壁量子阱的寬度發生了線性漸變，從邊緣的大約2.1 nm到中心的3 nm。量子線熒光本身出現在大約800 nm。

圖14.3 (a)單個的GaAs/AIGaAs新月形量子線的TEM截面像取自文獻[1342]，獲允轉載，1992， Elsevier Ltd; (b)垂直多層的全同的GaAs/AIGaAs新月形量子線的TEM截面像取自文獻[1341]，獲允轉載，1994，IOP

(a)單根納米線（樣品A）的平面二次電子像，顯示了頂部和側壁，而納米線位于中央白線給出了：5 K進行的線掃描CL譜（b）的掃描位置CL強度是用對數假彩色給出的，以便給出作為波長和位置的函數全部的動態范圍取自文獻[1342]，獲允轉載，1994 IOP

勢壘里的過剩載流子被快速地捕獲到量子阱里，接著進人量子線（活動范圍變得小得多，對應于更小的體積），過剩載流子通過相鄰的側壁量子阱和垂直量子阱，擴散進入量子線。逐漸收縮的側壁量子阱誘導出額外的漂移流。

14.2.2 解理邊再生長的量子線

制備結構完美性高的量子線的另一種方法是解理邊再生長（CEO）[1343]，如圖14.5 所示。首先生長層狀的結構（單量子阱、多量子阱或者超晶格）。接著（在真空里）解理，得到一個{110}面，在這個解理面上繼續外延。在{110}層和起初的量子阱的交匯處形成了量子線。根據它們的截面形狀，稱為T形量子線。再次解理和生長，可以制備CEO 量子點[1344，1345]（圖14.5（c））。

圖14.5 解理邊再生長（CEO）量子線的原理和二次生長的CEO量子點圖(a)顯示了一個層狀結構（量子阱或者超晶格，藍色），圖（b）描述了在解理面上的生長，用來制作量子線。圖（c）里，在平面上再一次解理和生長，就可以制作量子點取自文獻[1344]。(d) CEO生長的GaAs/AIGaAs量子線的截面TEM像標出了兩個量子阱（QW）和它們交界處的量子線（QWR）。第一次外延是從左往右，第二次外延步驟是在解理面（虛線）的上面，在向上的方向改編自文獻[ 1345]，獲允轉載，1997 APS

14.2.3 納米晶須

通常所知的晶須(whiskers)是金屬細絲，已經有詳細的研究[1346]。可以認為，半導體晶須是（相當短的）量子線。已經報道了許多材料，例如Si, GaAs, InP和ZnO [1347]。ZnO晶須的陣列如圖14.6所示，如果異質結構沿著晶須的軸生長[1348]，可以制備量子點或者隧穿勢壘（圖14.7（a））。生長模式通常依賴于VLS(蒸氣-液體-固體）機制，其中，線材料(wire materials)首先與尖端處的液體催化劑（通常是金）液滴結合，然后用于建立納米晶體。文獻[1349]通過透射電鏡原位觀察到利用這種機制的砷化鎵納米線的逐層生長（圖14.7（b）），也有令人印象深刻的視頻可以觀看。另一種納米線生長機制是 VSS(蒸氣-固體-固體）機制，不需要線的尖端上的液滴。

這種納米晶體也可以作為納米激光器[1350，1351]。基于壓電效應（16.4節），已經在 ZnO納米晶須里演示了把機械能轉化為電能[1352]。

圖14.6 (a)在藍寶石襯底上的znO納米晶須陣列，用熱蒸發的方法制作改編自文獻[1353]。(b)用PLD方法制作的單根的自立的ZnO納米線改編自文獻[1354]

納米線異質結構的臨界厚度hc與二維情況（5.4.1小節）很不一樣。基于圓柱形納米線里的錯位的厚片的應變分布[1355]，得到了臨界厚度對納米晶須的半徑r的依賴關系[1356，1357]。對于給定的錯位ε，一個臨界半徑rc，當r時hc是無窮大的（圖>

14.2.4 納米帶

已經報道了許多帶狀的納米結構[1347]。它們是線狀的，在一個維度上很長。截面是長方形的，長寬比很大。ZnO納米帶如圖14.9（a）所示。線的方向是?。大的表面是（00.1)，帶的厚度沿著[01.0]方向。高分辨率的TEM照片（圖14.9（b））顯示，這些結構是沒有缺陷的。因為ZnO (0001）表面的壓電電荷（16.2節）形成了開放的螺旋（圖14.10(c)）。如果短的維度沿著[00.1 ]，交替改變的電荷彼此補償，就形成了封閉的螺旋（圖14.10（a）），類似于“機靈狗"的形狀( 'slinky' -like ring)(圖14.10（b））。

圖14.7 (a)InAs晶須（直徑為40 nm,帶有InP勢壘）的一部分TEM像，放大像顯示了清晰的界面。在晶須的頂部是一個小的金液滴，來自“蒸氣-液體-固體生長機制"。晶須的軸向是[001]，視線的方向是[110]改編自文獻[1348]。獲允轉載，2002 AIP (b)帶有金帽的GaAs納米線尖端的后續生長階段；標記了（原位）TEM像的時間。箭頭表示生長前沿（growth front)的位置。改編自文獻[1349]，獲允轉載，2018 APS

圖14.8 超過臨界半徑rc以后，帶有錯位的無限厚的層一致地生長在圓柱形納米線上（通過60°缺陷來弛豫b=0.4 nm，ν=1/3）改編自文獻[1357]

圖14.9 (a)許多ZnO納米帶的SEM像（b）單根ZnO納米帶的高分辨率的TEM像，視線的方向是[00.1]，插圖給出了衍射圖案。改編自文獻[1358]，獲允轉載，2004 AIP

圖14.10 納米環的TEM像：(a)明場，(b)暗場，通過納米帶的“機靈狗"生長模式形成。(c)一個開口的ZnO納米螺旋的SEM像。圖(a, c）里的插圖示意地給出了表面電荷的分布。改編自文獻[1359]，2006 IOP

14.2.5 二維勢阱里的量子化

載流子沿著量子線的運動是自由的，在截面的平面里，波函數在兩個維度上受限。最簡單的情況是，截面沿著線保持不變。然而，一般來說，沿著線的截面是可以改變的，因此，沿著線的勢也有變化這種勢的變化影響了載流子沿著縱向的運動，量子線也可以沿著它的軸發生扭曲。

在V形溝槽GaAs/AlGaAs量子線里，電子的波函數如圖14.11所示。V形溝槽的更多性質已經有了綜述[1360]。在（應變的）T形量子線里，激子的電子波函數和空穴波函數如圖14.12所示。

圖14.11 圖14.3（a）中的納米線的前三個束縛能級的電子波函數（用對數灰階表示的|Ψ|2），取自文獻[1342]

一根非常細的ZnO納米晶須的原子結構如圖14.13（a）所示，它的截面由7個正六邊形元胞構成。理論得到的一維能帶結構[1362]如圖14.13（b）所示，同時給出了最低的導帶態(LUMO)和最高的價帶態(HOMO)的電荷密度。因為使用的LDA方法，帶隙通常都太小了①。文獻[1362]還比較了不同直徑的納米線的性質，Γ點處的HOMO位于體材料ZnO的價帶頂以上只有80 mev，它的位置幾乎不隨著線的直徑改變。它主要由表面的氧原子類2p的懸掛鍵構成（圖14.13（d））。LUMO（圖14.13（c））在整個納米線里是非局域的，說明它是體材料的態。非局域的分布也使得LUMO從Γ到A的色散很大，隨著半徑的減小，LUMO的能量由于徑向限制而顯著增大。