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半导体量子阱(QW)和超晶格(SL)是近30年来半导体物理学最重要的发展之一,被喻为实验中的建筑学。以QW为基本结构的量子阱红外探测器(QWIP)在军事国防航空航天等科技领域有着广泛而重要的应用。Ga As基半导体的材料与器件工艺仅次于硅工艺,均匀性与可重复性远超过在红外成像探测领域中举足轻重的碲镉汞红外器件。本论文针对量子机理基本工作原理导致QWIP量子效率低下这一制约量子阱红外探测器发展的瓶颈性问题,设计并制备了一种新型的集成量子阱红外探测器。将可突破衍射极限且具有强局域场增强特性的等离激元,与具有超强光学压缩能力的微腔有机结合,并运用于光电探测中。本论文利用等离激元微腔结构强大的光学调控能力和量子阱吸收特性,分别研究了集成器件在提高光响应率、拓展截止波长和增强偏振分辨能力三个方面,取得了突破性研究成果:1、研究了等离激元微腔的光学特性,在探测波段内首次同时观察到等离激元微腔的局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)模式及表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模式。构建了Fabry-Perot共振腔中的量子阱吸收模型,并提出集成器件的光响应率公式。分析了等离激元微腔同时具有增强有效电场强度和增大吸收长度的能力,两者结合实现了集成器件的强耦合效应。实验结果表明,新型集成器件对比常规45°磨角光耦合器件,可以实现峰值光响应率提高33倍,在LSP模式耦合下的光响应率提高近160倍。而常规光耦合结构(如二维介质光栅、单层金属等离激元光栅等)峰值光响应率提高不超过5倍2、通过等离激元微腔结构在弱吸收处的巨大增强,利用光子态调控实现截止波长往长波方向拓展。可以在峰值响应率提升21倍的同时,还可以实现截止波长拓展8.4%,并保持暗电流基本不变。而常规电子调控的方法实现探测波长往长波方向拓展同时会急剧增加暗电流,降低器件性能。同等截止波长拓展(8.4%)的情况下,常规电子态调控方法会导致器件在工作温度20 K下暗电流增大近100倍。3、目前红外波段已有常规偏振器件不能满足人们对于实时固态偏振探测的需求。新型集成器件通过将等离激元微腔偏振选择和量子阱跃迁选择定则相结合的双重调控机制,从原理上得以实现高偏振分辨集成器件。并构建了散射因子S微扰模型,分析了等离激元微腔集成器件偏振消光比物理过程并得到了偏振消光比解析公式。实验结果与理论模拟非常吻合,该结构实现了在甚长波红外波段(14.2-14.9?m),偏振消光比高达65(偏振选择度97%),这是已有集成器件红外偏振报道中的最高数值。等离激元微腔集成量子阱红外探测器的研究,同时也为其他光电器件各项性能的提高提供了一种有效的新思路,如本论文还提出一种新型基于等离激元微腔概念的汇聚光栅。通过在波长1550 nm的单光子器件上形成这种金属-介质-金属的汇聚光栅,用以实现低暗计数In P单光子器件。模拟结果表明,等离激元微腔汇聚增强可以达到23倍。将其应用于APD器件时,理论上可以在保证入射光通量不变的情况下,将常规APD器件尺寸缩小近两个数量级,从而能够减小APD器件暗计数,实现小尺寸低暗计数APD器件,解决常规器件暗计数高的问题。