晶格匹配的InGaAs/InP焦平面探测器被广泛应用于航天遥感、医疗诊断、农业工业、安全监控等领域。本论文结合高性能近红外焦平面探测器的发展需求,围绕低噪声、大规模的InGaAs焦平面探测器的物理机理和制备工艺进行了研究。建立了近红外InGaAs焦平面的噪声模型,明确了在光敏芯片角度对焦平面噪声的主要影响因素为电容和暗电流;接下来分析了光敏芯片的电容特性和暗电流特性,并采用Sentaurus TCAD仿真软件对探测器单元和阵列光电性能进行了三维仿真,分析了光敏芯片的暗电流特性与材料吸收层浓度、少子寿命和器件的几何结构的关系;优化了平面型InGaAs探测器的扩散工艺,利用光致发光谱表征了平面型InGaAs探测器的扩散损伤,研究了平面型InGaAs探测器的量子效率,并制备了低电容、低暗电流的光敏芯片;针对高密度小间距面阵优化了制备工艺,根据优化的工艺制备了高密度小间距的测试结构,制备了15μm中心距的1280×1024元InGaAs焦平面,并对其焦平面性能进行测试分析,根据优化的工艺制备了10μm中心距的2560×2048元InGaAs焦平面光敏芯片。分析了近红外InGaAs焦平面的噪声特性,明确InGaAs焦平面的各项噪声来源,完善焦平面噪声模型。根据焦平面噪声模型的分析,制备了两种暗电流和电容性能不同的中心距为25μm的160×120元焦平面,并测试了不同温度、不同积分时间下的噪声。测试发现在短积分时间下,降低探测器的吸收层掺杂浓度,焦平面噪声明显降低。当温度降低时,长积分时间下,低吸收层掺杂浓度的探测器噪声仍然较小。证明通过降低吸收层浓度可以降低芯片电容,从而降低耦合噪声。降低温度可以降低探测器暗电流从而降低探测器噪声。对不同吸收层浓度探测器电容进行了测试,根据电容特性拟合掺杂浓度分别为1.53×10¹⁵ cm^-3、5.14×10¹⁵ cm^-3和2.40×10¹⁶ cm^-3的三种器件,接近设计的1×10¹⁵cm^-3、5×10¹⁵ cm^-3和5×10¹⁶ cm^-3。特别关注了低吸收层浓度的器件电容特性,根据电容特性的拟合计算得到,低吸收层浓度的器件扩散结为缓变结而非突变结,并根据计算出耗尽区边缘的载流子浓度为1.27×10¹⁵ cm^-3。制备了两种不同延伸电极的器件,理论计算二者电容差值为145 fF,与实际测试结果130 fF接近。理论分析了探测器的暗电流特性,拟合了吸收层浓度不同的器件的暗电流成分,并计算了吸收层的少子寿命,5×10¹⁶ cm^-3的材料少子寿命约为2×10^-7 s,SRH复合寿命约为2.5×10^-3 s;5×10¹⁵ cm^-3的材料少子寿命约为2×10^-6 s,SRH复合寿命约为4×10^-4 s。此外,根据扩散电流拟合出的辐射复合系数为1×10^-10 cm³s^-1,在文献报道范围的4×10^-11 cm³s^-1到1.43×10^-10 cm³s^-1之内。使用Sentaurus TCAD软件对探测器的光电性能进行模拟,模拟了扩散结分别位于InP帽层和InGaAs吸收层中的光电性能,当扩散结位于InP帽层中时,暗电流为0.47 fA,但量子效率几乎可忽略,位于InGaAs吸收层中时,暗电流为22 fA。为了达到与结位于InGaAs层的器件可比拟的量子效率,需要将反向偏压增加到-0.9 V,从而导致暗电流增大至42 fA。分别模拟了单元器件和阵列探测器的暗电流与掺杂浓度、少子寿命、尺寸结构的关系,模拟结果表明阵列中心距减小会抑制侧面扩散电流,建立了高密度阵列探测器的暗电流模型。优化了低掺杂浓度材料的扩散工艺,最终获得了低暗电流、低电容、高性能的光敏芯片。暗电流密度为5.9 nA/cm²,电容密度为7.9 nF/cm²,峰值量子效率优于90%,室温下的峰值探测率约为1.3×10¹² cmHz^1/2/W。改进了高密度小间距面阵的制备工艺,并采用优化的工艺,制备了不同吸收层浓度的高密度小间距的面阵测试结构,获得了中心距为15μm和10μm的大面阵设计和工艺方法。基于吸收层的掺杂浓度为5×10¹⁶ cm^-3材料,经过平面扩散、表面钝化、电极制备、铟柱生长等工艺,制备了中心距为15μm的1280×1024元InGaAs焦平面,室温峰值探测率达到2.76×10¹² cmHz^1/2/W,峰值量子效率约为70%。采用优化工艺和结构参数制备了10μm中心距2560×2048元InGaAs光敏芯片,获得了焦平面模样。