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本学位论文围绕空间遥感用InGaAs探测器的器件物理和工艺展开了深入研究,通过对探测器性能的理论分析,并结合器件工艺优化,研制了不同截止波长的台面型InGaAs单元器件和256×1元线阵,对其相关性能进行了表征分析。本论文的主要结果总结如下:
1.建立了InGaAs探测器光谱响应,暗电流及探测率模型,估算了InGaAs材料的吸收系数、载流子迁移率及少数载流子寿命,分析了吸收层厚度、掺杂浓度、界面复合、少子扩散长度及温度对In0.53Ga0.47As探测器光谱响应的影响。
2.理论分析了In0.53Ga0.47As和In0.78Ga0.22As探测器暗电流、探测率与吸收层掺杂浓度的关系,并优化了掺杂浓度。
3.对台面型器件的工艺进行了优化,研制了截止波长2.4μm的In0.78Ga0.22As探测器。通过改善外延层结构,增加InP缓冲层和InGaAs/InAlAs界面优化层,减少了吸收层中的位错密度,提高了器件的性能。
4.分析了In0.78Ga0.22As探测器室温下暗电流的构成,结果表明在零偏压附近扩散电流是暗电流的主要部分,通过比较发现改善后的结构有效地提高了少子寿命及有效复合寿命,并降低了界面复合速度,这为下一步优化材料结构打下了良好的基础。
5.制作了截止波长2.9μm的In0.90Ga0.10As探测器,室温下探测率为6.6×109cmHz1/2/W,并通过与商品InAs探测器比较,确认了InGaAs探测器截止波长延伸到3μm有一定的应用潜力,向更长波长延伸则面临着巨大的挑战。
6.研制了256×1元的InGaAs线阵器件,其中In0.53Ga0.47As器件室温下-10mV处平均暗电流4.22nA,不均匀约为±3.0%,光响应不均匀约为±2.0%;In0.78Ga0.22Asponn和nonp器件,室温下-10mV处平均暗电流分别为7.5×10-8A和1.2×108A,暗电流不均匀约为±20%和±25%,光响应不均匀约为±8.0%和±4.0%。
7.计算了因工艺因素导致的InGaAs线阵的不均匀性,创新性的发展了方便可靠的亚微米尺寸精度表征方法,测量得到像元尺寸波动大约为±0.6%,结合材料因素探讨了InGaAs线阵性能不均匀性产生的原因,结果表明In0.53Ga0.47As探测器主要由材料中组分波动引起,同时工艺因素也有一定的影响;而对于In0.78Ga0.22As探测器,组分波动是导致性能不均匀性的主要因素。