红外探测是现代探测技术的一个重要发展方向,它极大地拓展了人类认知自然和宇宙的视野。而红外探测器作为红外探测的核心技术之一,已发展了近两百年。在20世纪80年代,以GaAs/AlGaAs为代表的量子阱结构红外探测器开始出现并蓬勃发展,随后在国防、航空航天、天文探测和民用等领域展现出巨大且广泛的前景。量子阱红外探测器基于阱内子带跃迁原理来实现红外探测,其表现出材料生长和器件制备工艺成熟、大面积均匀性好、成品率高、响应速度快等优点,但同时也具有器件量子效率小、工作温度低、不能吸收垂直入射光(n型)等缺点。因此,如何提高器件性能指标成为量子阱红外探测器的重点研究方向之一。到目前为止,采用电子态调控手段,如优化电子输运特性和调整器件工作模式,已达到极限;但是,利用光场调控方法,如通过光耦合结构来增强量子阱光吸收进而提高器件性能,却在不断发展中。在本论文中,基于三维螺旋微管的光捕获特性,一种三维管状结构量子阱红外探测器被提出并进行了大量研究,包括:1.设计了三维管状量子阱红外探测器的材料、结构和工艺流程并进行了器件制备。具体来说,利用数值模拟方法分析管状结构的电磁耦合情况,并优化器件的结构和尺寸;依据结构特征确定材料相应功能层及各层的厚度,并使用能带计算软件设计量子阱的结构;结合材料和器件结构来定制工艺流程,并设计和制备对应的掩膜板;进行大量的实际工艺操作,完善各个流程步骤最终制备出管状器件。2.进行了三维管状量子阱红外探测器的光耦合和响应特性研究。实验制备出响应峰位于6.5μm的管状器件,在60 K工作温度和0.65 V偏压下,测得其峰值光电流响应率为381 mA/W,对应的量子效率为7.2%。通过与45o斜入射QWIP器件对比,发现了管状结构具有提高器件响应率和量子效率的能力。在详细分析微管的二维电场分布情况后,提出了其中空结构能够将一部分入射光限制在其内发生多次内反射从而增强量子阱光吸收的解释。测试管状器件在外界不同角度入射光下的黑体响应后,发现其展现出宽角度(-70o,70o)光耦合特性。此外,微管圈数对器件性能的影响也被研究。3.分析了薄膜卷曲时应力态变化对管状量子阱红外探测器的子带跃迁影响。在测试平面和管状器件的光电流响应谱后,发现应变量子阱薄膜的应力释放会导致其响应峰发生微小红移。理论分析表明,当平面应变薄膜卷成微管,管壁内部应力态的变化导致了量子阱的导带边能级偏移,进而影响到阱内电子束缚态能级和波函数,并最终造成子带跃迁产生的电流谱峰位移动。同时,不同偏压下器件的光电流响应谱也被测试,表明外加电场会导致其峰位发生蓝移,这是由对称量子阱的子带跃迁量子限制斯塔克效应造成的,且理论计算值与实验结果相符合。为了进一步改善器件性能,三维管状谐振腔量子阱红外探测器被设计出。它利用微管谐振腔的谐振效应在管壁内形成光学共振模,其强烈的光场强度能显著提高量子阱光吸收。模拟结果表明,当微管共振波长处于量子阱吸收谱范围内时,器件的响应谱上将叠加一系列尖峰,且该尖峰具有高Q值。