复杂环境下半导体量子点发热特性的研究

利用典型纳米结构半导体量子点发热特性能减少热产生，加快散热，同时利用量子点在一定的参数区电流大单位时间内发热却更少的特性，能改善LED芯片外散热器件材料结构的散热性能，这就为量子器件找到一个理想的散热工作条件，延长LED照明寿命提供有价值的线索。 .本项目用非平衡格林函数方法和wick定理研究半导体量子点的发热特性。深入讨论.耦合强度，温度和偏压对量子点发热特性的影响；探索量子点发热与铁磁体的自旋极化强度和量子点自旋能级间距的关系；探讨超导能隙宽度对量子点发热的影响。

随着集成电路不断微型化，电子元器件进入纳米尺寸。纳米系统热容量小，散热难，系统发热极易导致其温度急剧上升，这将破坏纳米器件正常运行，严重阻碍半导体电子器件进一步发展。找到纳米系统发热规律尤为重要。本项目以典型半导体纳米结构—量子点为研究对象，探讨其在不同环境下电流引起的发热特性。(1) 研究与多个自旋化学势耦合的单能级量子点发热特性，发现最靠近量子点能级的两个化学势对发热起决定作用。 基于不同偏压条件下不同的发热速率-电流关系，通过调整甚至引人自旋化学势，可使量子点进入理想工作状态。(2) 深入分析电子隧穿过程，得到纳米系统发热出现不同于宏观导体的奇特性质是源于系统能量量子化。选择适当量子点工作条件，使弹性隧穿电流峰与非弹性电流峰不一至，可使量子点具有较大工作电流的同时发热速率较小，即处于最佳工作状态。(3) 研究量子点内电子间库伦作用对发热的影响。发现库伦作用对量子点产生冷却效应，还发现只要库伦能U大于单个声子能量，在E=-U/2量子点能级位置电流出现最大值而发热速率却是极小值。(4) 研究了热偏压对量子点发热性能的影响。发现量子点与低温导体耦合强于与高温导体耦合时，量子点具有冷冻效，还发现若低温接近零度最大电流出现时量子点不发热，这有助于保持电子器件工作的稳定性。(5) 研究了两导体间次序连接的两量子点内电声作用导致的发热。发现发热速率极小的量子点能级位置可出现电流极大值或极小值，这决定于量子点间电子耦合强度t。故通过调节t可找到高电流低发热速率纳米系统理想工作条件。(6)研究了量子点电子能谱与其发热的关系，发现发热出现量子化特性主要源于<a>低温下化学势附近导体电子分布不连续，<b>电声作用使纳米系统电子谱函数出现距离为声子能量量子的多个峰。(7) 研究了超导能隙对量子点发热影响。发现量子点发热速率随能隙宽度改变发生陡然变化，能隙存在使得低温下量子点发热起始偏压为零能隙情况的一半。本项目研究发现了纳米系统在各种复杂工作环境下的发热特性。基于所得结论，我们能找到高电流低发热速率甚至零发热的纳米系统理想工作条件。这为微电子元器件设计提供了重要参考。