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自1987年量子阱红外探测器(QWIP)在贝尔实验室问世以来,量子阱红外探测器取得了很大的发展,特别是其在三个大气窗口波段的焦平面阵列器件研制所具有的独特的优势,已经成为各国研究人员研究的热点。到目前为止,已成功研制成1024×1024的大面阵和640×512四色焦平面器件。在地热绘图与火山地貌特性探测、生物医药、国防、天文学等领域都已得到成功应用。但由于量子阱子能带间量子吸收的选择定则,对垂直于探测器表面入射的红外光是不能吸收的。为了提高器件的响应率和探测率,研究人员提出了各种光耦合模式,如45度边耦合,一维、二维周期光栅耦合,随机反射耦合,波纹耦合等。其中尤以二维周期光栅耦合应用最为广泛。
本论文主要对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的电学性能、光栅耦合性能进行了理论模拟和实验研究,主要内容如下:
首先介绍了红外探测器的发展历程和GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的国内外发展现状,简单讲述了GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的优缺点;介绍了各种光耦合模式的发展现状,并分析了它们各自的工作原理。
其次对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的基本理论进行了详细讲述,重点讲述了量子阱能带结构及子能级的计算方法。并利用MBE外延生长了GaAs/AlGaAs多量子阱结构,进行了器件的工艺制备,并对制备的器件进行了实验测试,并采用传输矩阵法和电子干涉法研究了量子阱材料结构参数和器件性能的关系,运用MATLAB编程对量子阱子能级进行了理论计算,与实验测出的实际值进行了比对分析;对量子阱红外探测器的主要光电性能参数进行了初步分析;讨论和分析了量子阱红外探测器三种跃迁模式与暗电流的特性。
最后对耦合周期光栅进行了理论模拟与实验研究。为了了解量子阱红外探测器红外光吸收特性,优化光栅耦合设计,分析了量子阱子带跃迁与红外辐射的依赖关系,并对光栅耦合进行了详细分析,重点对一、二维周期光栅耦合模式进行了理论模拟,优化设计和实验测试。运用传统几何光学对光栅进行了初步设计,确定了符合要求的耦合光栅结构参数值,并运用有限时域差分法对不同参数条件的周期光栅进行了光场强度模拟,模拟结果与优化设计值能够很好的吻合。最后对设计的周期光栅进行了吸收谱测试,并对不同参数结构的光栅进行了比较,验证了理论设计和模拟的正确性。