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高速InGaAs探测器材料外延与器件研制

刘超  
【摘要】:近年来光通讯业正大步跨向高速大容量的方向,在十九大中也提出新一代的信息基础建设工程,其中5G规模组网就是其重点支持的三大项目之一。激光器和探测器是通讯组网中上游发射和接收端的核心部件,这些核心部件的制备工艺相对国外还有很大的差距,本论文从探测器的制作入手,主要工作如下:1、对光通讯技术进行调研,讨论探测器的发展前景与开发的必要性,重点对光通讯接收端探测器的发展状况进行分析和总结,选定InGaAs PIN型探测器作为本文研究方向。2、结合InGaAs探测器的工作原理,对探测器件的表征参数:暗电流、响应度、内量子效率、响应时间和吸收系数做了深入研究,然后逐层设计外延结构,包括外延衬底的选取、缓冲层厚度设计、吸收层的厚度设计和P型层的选择,重点通过对探测器的量子效率、响应时间及探测率的相关理论进行分析,并通过模拟计算得出了高响应和高效率的本征层厚度为0.8μm,在实际应用中需考虑量子效率的影响,选择2μm厚度的本征层。最后对P型层的设计原理进行了分析,并提出使用台面型PIN结构来制作高响应度的InP基红外探测器有明显的响应速度优势。3、对外延生长所用的MOCVD设备的各个组成部分原理做了介绍,对MOCVD的温度系统和厚度监控系统进行了校正,并给出了校正的方法。同时对外延测试设备PL,ECV,XRD等原理进行了研究,并对设备进行了校准。4、使用2800G4 5*8”型MOCVD进行外延材料生长,通过对生长温度、五三比的调节生长出表面平滑的InGaAs单层,在此基础上又设计了一种简单结构,通过这个简单结构的表征,优化出暗电流达到1nA级别下InGaAs单层。通过试验五族元素的分压比,总结出As P气相分压和固相分压的规律,生长出稳定波长的InGaAsP单层,又分别对InP和InGaAs高掺Zn做了研究。5、将外延片制成探测器器件,第一次样品制作时出现了暗电流偏大的现象,通过SIMS测试发现Zn向吸收区的扩散非常严重,影响了吸收区的晶体质量。通过渐变掺杂和降温以及减少扩散时间的方式重新生长外延,最终制作出暗电流小于5nA,单管3DB带宽达到10G的PIN探测器。为后期更高速探测器以及探测阵列提供了理论基础和工艺支撑。


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