半导体量子点光吸收器件的理论研究

现代社会可持续性发展需要高集成、高速的光电子器件。而量子点特殊的几何尺寸，使其具有独特的量子限制效应，这引起了人们的广泛兴趣，故量子点被不断地应用于各种光电子器件上，致使半导体量子点器件成为一个重要的研究领域。本项目以量子点红外探测器和量子点太阳能电池为例，（1）用三维定态薛定谔方程（结合Valence Force Field方法）研究量子点几何结构、应力和材料组份分布对量子限制效应的影响；（2）含时薛定谔方程（结合连续性方程和泊松方程）出发，考虑到量子点器件的实际尺寸、有限的工作温度、电极结构和工作电压，定量分析实际量子点器件的光荧光谱、I-V和光电流谱等实验曲线，找到影响量子点器件中光电相互作用以及光生载流子输运的主要因素，实现对量子点红外探测器和量子点太阳能电池的优化，以便得到高灵敏度高分辨率的红外探测器和高效的太阳能电池。

在国家自然科学基金委理论物理专项基金的支持下，我们已取得初步的成果，后续成果也在不断的发表过程中。从定态薛定谔方程出发，以研究真实的低维半导体器件为目的，我们将前期的成果加以完善。针对于真实的量子点体系中存在量子阱的情况，研究了量子阱体系对延展态、吸收系数和光电流谱的影响，发现随着量子阱阱宽的变小吸收系数将得到提高；随着周期的变大，虽然总的光电流谱得到提高，但是平均每个量子阱对光电流谱的贡献减小，当周期达到无穷大时，在Bloch 波假设下单个量子阱对光电流谱的贡献只有nA/cm2的量级。 利用格林函数研究了量子点体系的输运特性，提出了一种简单的含时纯自旋流产生装置。在某一时刻下，一个外加磁场被加在量子点上。在过渡区域中，自旋热电效应得到很大的加强。这主要是因为电子隧穿几率相比于能级的劈裂有明显的推迟效应。当一个温度梯度加在电极之间时，一个纯自旋流出现；我们也提出了一种利用温度差引起的单自旋流的装置；它由单个量子点和三端电极组成。自旋轨道耦合导致了在一端电极探测自旋向上的电流，然而另外一端电极出现了自旋向下的电流。同时研究了由于掺杂而导致的不同Fermi能级对光电流谱的影响，这可以对器件的光电特性的优化进行定性的指导。