【摘 要】
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红光光电探测器是可见光通信中的关键部件,在车载光纤、多普勒测速和水下探测系统中发挥着举足轻重的作用。随着光电子器件向低维度、低成本、大规模、小型化和集成化方向发展,研发利于光源和探测器单片集成的红光探测器成为研究热点。GaInP作为一种Ⅲ-Ⅴ族的无机化合物,其具有价格低廉、工艺成熟、光电性能好等优异特性。因其在红光波段具有较大的光吸收系数、不逊于GaAs的快饱和载流子迁移速度、较高的量子效率以及和
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红光光电探测器是可见光通信中的关键部件,在车载光纤、多普勒测速和水下探测系统中发挥着举足轻重的作用。随着光电子器件向低维度、低成本、大规模、小型化和集成化方向发展,研发利于光源和探测器单片集成的红光探测器成为研究热点。GaInP作为一种Ⅲ-Ⅴ族的无机化合物,其具有价格低廉、工艺成熟、光电性能好等优异特性。因其在红光波段具有较大的光吸收系数、不逊于GaAs的快饱和载流子迁移速度、较高的量子效率以及和GaAs晶格常数匹配的特点而被广泛应用于红光激光器、红光发光二级管以及太阳能电池中,然而以GaInP材料作为吸收层的红光光电探测器方向却少有研究。基于以上调研,考虑到光电子器件单片集成以及小型化的发展方向,本文设计并成功制作了一种与红光LED制备工艺兼容的AlInP/GaInP/AlInP异质结构光电探测器。论文的主要研究内容如下:（1）AlInP/GaInP/AlInP异质结的优化。首先对光电探测器进行理论基础研究,并利用MATLAB分析计算出GaInP基光电探测器吸收层的厚度、面积和带宽、响应度的关系。随后基于计算结果提出理想的探测器结构,并利用Silvaco软件进行器件建模仿真,研究探测器光谱范围、量子效率、暗电流等参数。最后根据实际工艺条件优化PIN光电探测器。（2）GaInP探测器的制备。利用MOCVD技术在350μm厚的GaAs衬底上生长了探测器的外延层,其中AlInP/GaInP/AlInP异质结的厚度以及掺杂浓度与仿真设计的结果一致,其余的材料组分均与工艺经验参数兼容。该晶圆的大小为2英寸,外延厚度约为3μm,PL光谱范围是610nm-670nm,PL峰值为651.5nm。为实现器件对单红光波段的探测,将探测器的形状设计为圆柱形的台阶状。随后设计了四层套刻的光刻技术来得到完整的探测器芯片,并利用L-Edit软件绘制了套刻工艺所需的掩模版。最终通过开窗口、刻蚀台阶、刻蚀二氧化硅绝缘层以及剥离金属四次光刻步骤得到了光敏面直径分别为50μm、100μm、300μm的光电探测器。（3）GaInP探测器的性能分析。在0V偏压下,光敏面直径为50μm、100μm、300μm的三种型号探测器在633nm波长下的响应度分别为0.15A/W、0.37A/W、0.83A/W,上升时间分别为0.45ns、0.65ns、4ns,三种型号探测器的暗电流在0至-6V的偏压下均稳定在10pA量级,具有非常低的暗电流。由于GaAs衬底的存在,制作的探测器的反向饱和电流对应的电压值较大,该特性有利于与APD集成设计。本文设计的光电探测器与红光LED的制备工艺兼容,为光源和探测器的单片集成技术提供了一种设计思路并奠定了实践基础。
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