双波段量子阱红外探测器的设计与研究

摘要

本文介绍了采用不同耦合结构将双波段红外辐射耦合到双量子阱吸收区，实现了双波段红外探测器设计。在研究双波段量子阱红外探测器(QWIP)机理和表面等离子体MIM微腔的基础上，利用不同材料设计出不同结构耦合的双波段QWIP，并对吸收效率、量子效率等性能参数进行分析，具体工作如下： 1．MIM腔耦合双波段量子阱设计与分析。在计算目标波段结构设计参数值的基础上，设计三角形、正方形、扇形栅MIM腔和正方形、三角形孔MIM腔耦合的双波段QWIP器件，分析性能参数随结构形状参数、材料参数变化的关系。结果表明，对比传统45°角光耦合结构，三角形栅MIM腔耦合双波段QWIP的光响应度在中波波段、长波波段分别提高近9倍、18倍。扇形栅MIM腔耦合双波段QWIP的光响应度在中波波段、长波波段分别提高近8倍、25倍。 2．石墨烯栅耦合双波段QWIP设计与分析。在研究石墨烯等离激元色散关系及电导率等特性基础上，设计石墨烯栅结构耦合的双波段QWIP。分析石墨烯栅周期、纳米带宽度、材料属性及环境材料属性变化对石墨烯栅耦合双波段QWIP的性能影响。结果表明，石墨烯栅耦合双波段QWIP可在结构缩小30倍的基础上光响应度在双波段分别提高近8倍、11倍。 3．石墨烯-金属混合腔耦合的双波段QWIP优化设计与分析。利用金属与石墨烯超材料等离子体效应的不同优势，设计石墨烯-金属混合腔耦合双波段QWIP，并分析金属栅形状参数、石墨烯栅形状参数、材料参数等变化对石墨烯栅混合腔耦合与金属栅混合腔耦合双波段QWIP的性能影响。结果表明，石墨烯栅混合腔耦合双波段在结构缩小近30倍的基础上双波段光响应率分析提高12倍、9倍，金属栅混合腔耦合双波段QWIP在将MIM腔耦合结构缩小近5.5倍的基础上双波段光响应率分析提高9倍、26倍，实现器件小尺寸、高响应度探测。

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