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量子级联探测器(Quantum cascade detector，QCD)是一种工作于光伏模式的单极型红外探测器。红外响应来自于量子阱导带中子带间电子的光跃迁，光伏模式依赖于激发态电子沿啁啾超晶格形成的“声子台阶”跃迁产生的电位移。QCD中电子的子带间跃迁是基于束缚态到束缚态的跃迁，因而具有非常窄的响应光谱，这使得QCD在高灵敏探测如痕量气体检测应用中感知到的背景噪声很低。此外，工作于光伏模式的QCD具有可以忽略的暗电流，使其在焦平面以及小像元应用中具有潜在优势，在过去的十五年里得到了广泛的关注。同时，量子级联激光器(QCL)在过去二十多年来得到了高速发展，基于QCL的高灵敏检测系统逐渐接近实用化，虽然QCD的窄谱及零偏压工作特征非常适合基于QCL的红外检测系统，但是目前的QCD器件性能尚未达到实用性的水平，主要问题在于1）器件响应率随温度升高迅速下降;2）器件电阻随温度升高快速下降，造成接近室温时器件探测率较低。并且，由于量子阱中电子受到子带间跃迁选择定则的限制，3）器件不能对正入射光产生有效响应，在焦平面的应用中与量子阱探测器(QWIP)一样需要借助如光栅等光耦合结构来实现对垂直入射光的耦合，给器件的实际应用带来了不便。 本论文针对上述问题，从吸收区的能带设计入手，在QCD的吸收阱内成功引入了三维受限的量子点结构(QD)和准三维受限的量子短线结构(QDash)，制备了量子点量子级联探测器(QD-QCD)和量子短线量子级联探测器(QDash-QCD)。该设计显著改善了器件响应率的温度稳定性，进一步降低了器件暗电流，提高了吸收区激发态能级寿命并且可以对正入射红外光产生响应。此外，针对本文研究内容搭建了偏振测试系统，并对器件响应率标定方案、子带间吸收光谱测试方案、QCD的极低暗电流测试方案进行了细致地优化，基本完善了实验室探测器的光学和电学测试平台。取得的主要成果有: 1.采用“两步应变补偿”的生长思路，利用S-K模式成功在InP基InGaAs/InAlAs-QCD的有源区中引入了InAs量子点层。制备出三种点（短线）/阱混杂结构，分别是应变超晶格中点/阱混杂结构In0.5Al0.5As/InAs(QDs)/GaAs/In0.6Ga0.4As、In0.44Al0.56As/GaAs/InAs(QDs)/In0.6Ga0.4As和非应变超晶格中短线/阱混杂结构In0.52Al0.48As/InAs(QDashes)/GaAs/In0.53Ga0.47As。 2.研制成功波长4.3μm的中波红外QD-QCD。该器件是在应变In0.6Ga0.4As/In0.5Al0.5As结构中引入了InAs-QD层，由于量子点的三维限制效应以及极低暗电流，使该器件表现出以下优势:1）实现了吸收区面密度1012cm-2的高掺杂浓度，且子带间吸收随掺杂浓度线性增加，没有出现QWIP中的饱和展宽现象，有效提高了器件的响应率;2）打破了量子阱中电子的跃迁选择定则限制，实现了器件的正入射响应;3）器件响应率表现出极好的温度稳定性，随着温度从77K升高到300K，响应率的降低25％，而对照样品QW-QCD在这一温度范围的响应率下降为86％。并且QD-QCD的室温探测率接近108cm·Hz1/2·W-1，比同波长QW-QCD高了近一个量级。 3.研制成功波长10μm的长波红外QDash-QCD。该器件是在非应变In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As结构中引入了InAs-QDash层，由于QDash的准三维限制效应，使得器件可以响应正入射红外光，且随着温度从77K升高到190K，响应率的降低40％，而对照样品QW-QCD在这一温度范围的响应率下降为83％。此外，偏振光谱测试结果表明该器件的s/p偏振比提高到了12.6％，高于量子阱样品的4.2％，且正入射响应谱峰位与s偏振谱完全重合，表明了QDash对于正入射光响应所起到的积极作用。 4.用包含In0.44Al0.56As/GaAs/InAs(QD)/In0.6Ga0.4As杂化结构的QCL有源区作为QCD有源区使用。该有源区通过调整杂化结构的生长顺序，得到了排列整齐且尺寸更为均匀的量子点层。并且，获得了液氮温度下5.8μm峰值处3.1mA/W的器件响应率，比文献中报道的用QW-QCL有源区做QCD的响应率0.12mA/W高出一个量级，探测率3.63×108cm·Hz1/2·W-1比文献中1.63×106cm·Hz1/2·W-1高出两个量级。下一步工作计划是通过进一步的级联能带结构改进实现片上集成QD-QCL/QCD的微型化系统。