InGaN_GaN量子阱二极管光电特性及应用.pdf

摘要

受益于半导体材料的发展和GaN外延生长技术的革新，基于三五族GaN的半导体器件

得到了高速的发展，如GaN发光二极管(Light-emittingdiode，LED)、光电探测器(photodetector，

PD)、激光器等，这助力了光电探测和光通信的发展。以GaN材料为代表的LED发光器件相

比较普通的材质的LED有更大的出光效率、更大的过电流能力和更高的开关速度，这些优势

使得InGaN/GaNMQWs器件进行可见光通信、光电探测提供可能。基于此背景，本文首先制

备了InGaN/GaNMQWs器件，通过在蓝宝石图形化衬底上通过金属有机化学气相沉积(Metal-

organicChemicalVaporDeposition，MOCVD)工艺、光刻技术、电感耦合等离子体(Inductive

CoupledPlasma，ICP)刻蚀工艺等，制备出尺寸相同的蓝光和绿光器件。其次再搭建实验平台

收集该器件的光学和电学特性，之后分析器件的发光谱和光响应谱等数据得出多个结论。其

一，该器件的发光强度随着注入电流的增加而增强，这就可以将其作为光调制器使用。其二，

该器件的光响应谱随着偏压变化而变化，这就可以将其作为光解调器。其三，该器件的发光

谱和光响应谱存在重叠区，这就可以将其同时作为光通信中收发机使用，也可以将其分别作

为PD和LED。

根据InGaN/GaNMQWs器件优良的特性，本文将其作为PD设计并制作了两款探测传感

系统。第一款是仅利用一颗器件便可以在发光状态和探测状态之间切换的特性，设计了非接

触式电梯感控系统，该系统实现了乘客手指距该系统1cm左右即可实现触发操作，此外该系

统还具有两重防误触设计，能够有效降低误操作发生的概率。第二款是利用InGaN/GaNMQWs

器件能够接收到来自相同结构器件的光信号的特性，将一颗器件作为光发射机，另一颗器件

作为光接收机设计了烟雾浓度检测系统，该系统能够实现在一定范围内对空气中的烟尘颗粒

浓度进行探测，并且和商用传感器相比误差率控制在5%以内，此外该系统融合了物联网技术，

通过分布式物联网节点将传感系统连接起来形成一个巨大的火情远程监控系统，为今后的防

灾减灾提供一个有效的方法。

关键词：InGaN/GaN，多量子阱，非接触式电梯感控，烟雾浓度检测

Abstract

BenefitingfromthedevelopmentofsemiconductormaterialsandtheinnovationofGaN

epitaxialgrowthtechnology,III-VgroupGaN-basedsemiconductordeviceshavemaderapid

progress,suchasGaNlight-emittingdiodes(LEDs),photodetectors,lasers,etc.,whichhaveboosted

thedevelopmentofoptoelectronicdetectionandopticalcommunication.LEDemittersbasedonGaN

materials,representedbyInGaN/GaNMQWsdevices,havegreaterlightoutputefficiency,higher

overcurrentcapability,andfasterswitchingspeedcomparedtoLEDsmadeofconventionalmaterials.

Theseadvantagesmakeitpossibletousetheminvisiblelightcommunicationandoptoelectronic

detection.Againstthisbackground,thisstudyfirstpreparedInGaN/GaNMQWsdevicesbyusing

metal-organicchemicalvapordeposition(MOCVD)technology,photoli