基于深亚微米CMOS工艺, 设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响, 结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明, 保护环间距d=0.6 μm时器件性能最优, 此时击穿电压为13.5 V, 暗电流为10－11A.在过偏压为2.5 V时, 门控模式下的暗计数概率仅为0.38%, 器件在400~700 nm之间具有良好的光学响应, 500 nm时的峰值探测效率可达39%.

基于0.18 μm CMOS工艺技术，制作了单光子雪崩二极管，可对650~950 nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P+/N阱结构，P+层深度较深，以提高对长光波的光子探测效率与响应度；采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度，可以提高探测灵敏度；深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底，降低衬底噪声；采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数，并对器件性能进行优化设计.实验结果表明，单光子雪崩二极管的窗口直径为10 μm，器件的反向击穿电压为18.4 V左右.用光强为0.001 W/cm2的光照射，650 nm处达到0.495 A/W的响应度峰值；在2V的过偏压下，650~950 nm波段范围内光子探测效率均高于30%，随着反向偏压的适当增大，探测效率有所提升.

基于标准0.35 μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p+n阱型二极管结构, 同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能；研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响；对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明：所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10 μm, 扩散n阱保护环宽度为1 μm时, 雪崩击穿电压为13.2 V, 3 dB带宽可达1.6 GHz；过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%；在波长500～800 nm之间器件响应度较好, 波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.

采用Peaker变分法,研究了在有限深势阱下抛物量子线量子比特及其声子效应。量子线中这样的二能级体系可作为一个量子比特。当量子线中电子处于基态和第一激发态的叠加态时,电子的概率密度|ψ01(t,x,y,0)|2随着势阱宽度的增加而减小;电子的振荡周期T0随耦合强度α的增大而减小;振荡周期T0随受限长度l0的增加而增加。

采用Peaker变分法,研究有限深势阱下极性晶体膜中量子比特及其声子效应。晶体膜中这样的二能级体系可作为一个量子比特。当膜中电子处于基态和第一激发态的叠加态时,电子的概率密度在空间作周期性震荡,得出振荡周期随耦合强度的增加而减小,随膜厚的增加而增大。

采用球型量子点模型, 应用有效质量近似理论, 研究了 (nc-Si/SiO2)/ SiO2多层量子点结构的激子能级和波函数。结果表明, 有限深势阱模型的引入更符合实际更加准确。无论在无限深或有限深势阱下, 激子质心运动部分基态能量随量子点半径的减小而急剧增大。对于相同的量子点半径a, 无限深势阱下的质心部分能量总比有限深势阱高, 且二者的差距随a的减小而增大。

在理论上计算了球形量子点激子基态能级和偶极跃迁振子强度,分析了量子点激子的三阶极化率.结果表明:在激子强受限的情况下,量子点半径越小三阶极化率越大;在激子弱受限的情况下,量子点半径的增大,三阶极化率越大.

在有效质量近似下,垂直方向采用无限深势阱限制势,在x-y平面上,量子点内采用抛物势近似,在量子点边界处采用与实际情况更接近的无限深势阱.在中心杂质电荷为ηe时,利用波函数近似,得到基态和低激发态的能级,与x-y平面均采用抛物势时得到的能级进行了比较.计算发现在量子点真实半径比较小时,电子的基态和低激发态受其影响很大,而相应的能级随量子点的半径逐步增大.在量子点半径大于5倍有效玻尔半径时,能级受其影响已经变得很弱.并且,随着磁场的变化,量子点半径对基态和第一激发态的能级差的影响也很大.最后我们计算了杂质电子的基态束缚能并讨论了声子对其影响.