作为量子阱红外探测器的优化,量子级联探测器概念于21世纪初被提出并被广泛研究。除可重复性高、工艺成熟、材料均匀性好,量子级联探测器的优势还在于光伏工作机制、噪声低、工作温度高、响应速率快。然而量子级联探测器的量子效率低,并且量子阱的子带跃迁机制导致其不能吸收垂直入射光。与此同时,红外成像技术已经发展到了第三代的多色、大规模、小像元红外焦平面阵列,以获得高分辨率、高准确度、高灵敏度的凝视成像。为满足该应用需求,量子级联探测器的性能亟待进一步优化。作为一种光电探测器,其性能可以分别从光学与电学两方面进行优化,光学方面主要是光耦合效率,电学方面包括提高响应率与抑制器件噪声。本论文的工作围绕量子级联探测器的性能优化来展开。主要工作有:1.从光学角度出发,对光耦合过程进行优化。将等离激元微腔与量子级联探测器相集成,使器件峰值响应率从42mA/W提升至176mA/W,增强4.1倍,黑体响应率从2.73 mA/W提升至8.2 mA/W,增强3倍,并且具有优良的偏振选择性,偏振消光比高达127。并且基于此结构,结合量子级联探测器的双色响应机制,设计了中波/长波红外双色量子级联探测器,探测波长分别为4.4 μm和9.0 μm。另外,还对准一维光栅的等离激元微腔结构进行研究,发现其能够同时满足表面等离极化激元与局域表面等离子体两种模式的共振条件,可进一步提升光耦合效率。2.从电学角度出发,a)针对量子级联探测器光谱响应峰较窄的问题,对其光电吸收过程进行优化。通过调整吸收区结构与势垒高度,使响应带宽有不同程度的展宽。利用双阱吸收结构,成功将相对光谱线宽从9.6%提升至30.7%,是目前国际上响应带宽最宽的量子级联探测器,并且光谱形状具有温度稳定性。该器件的光谱形状对偏置电压敏感,可应用于光谱重构,对多光谱探测应用具有积极意义。b)为获得更高的输运效率,对量子级联探测器的输运区结构进行优化。采用小能量阶梯与声子阶梯相结合的设计,将甚长波红外波段量子级联探测器零偏压状态的峰值响应率从16 mA/W提升至73 mA/W,提升了 4.5倍,是目前甚长波红外波段量子级联探测器国际范围内的峰值响应率最高值,峰值波长为14.9 μm。此外,将GaAs/AlGaAs材料体系的量子级联探测器峰值波长进一步拓展至16.3 μm,证实了该材料体系量子级联探测器对甚长波红外波段出色的探测能力,足以满足甚长波红外探测需求。c)为抑制器件噪声,分别从热噪声与光谱噪声两方面进行分析与优化。首先,借助磁场手段对量子级联探测器的暗电流和阻抗进行了研究,观测到了磁-声子共振,确认了暗电流的主要热跃迁过程,最终提出增加冗余阱的方式可以抑制暗电流,增大器件阻抗,以达到降低噪声的目的。然后,对工艺过程中的金属电极材料与合金化过程进行摸索,采用不退火工艺,将热噪声抑制了一个量级。最后,对量子级联探测器的光谱噪声进行研究,揭示了其多波段响应的原理,发现光谱噪声可归结为基态跃迁与非基态跃迁两类,并提出了针对性优化方案。