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随着智能终端、社交网络、云计算、在线通信业务的爆炸式发展,人们对网络带宽和传输容量的需求飞速增长。为了顺应这一需求,光纤通信系统正逐步向超高速率、超大传输容量的新一代光网络方向发展。光探测器作为光纤通信系统中的核心器件,其性能的优化对光纤通信系统的发展起着至关重要的作用。在光通信系统中,单行载流子光探测器(UTC-PD)只采用电子作为有源载流子,极大压缩了其载流子的渡越时间,也抑制了空间电荷效应,可同时实现高速高饱和特性。而且UTC-PD的暗电流很小,通常为pA数量级,具有较好的低噪声特性。本论文主要围绕用于光通信中的低噪声高速高饱和UTC-PD的研究开展工作。本论文主要研究内容和创新如下:1、理论研究了 UTC-PD的基本原理,对UTC-PD的性能参数和国内外研究进展进行了分析,具体研究了 UTC-PD内部的能带、电场和载流子迁移率等微观特性,为设计低噪声高速高饱和UTC-PD提供支撑。2、深入研究了暗电流的组成,分析了扩散电流、产生-复合电流、表面复合电流和隧道电流的内在物理机制,得出在较低偏压下,暗电流主要为产生复合电流;在较高偏压下,暗电流主要为隧道电流。从载流子速率方程和暗电流物理机制理论出发,分别建立了 PIN-PD和UTC-PD的等效噪声电路模型,得到了 PIN-PD和UTC-PD的暗电流与反向偏压的关系。3、对比分析了 UTC-PD吸收层中不同高斯掺杂与带宽的关系。高斯掺杂的参数为峰值浓度、峰值浓度的位置和特征长度。仿真结果表明,在保持吸收层中平均掺杂浓度不变的前提下,UTC-PD带宽与峰值浓度位置正向相关,而与特征长度负向相关,并从能带和电场两个角度对这一现象作出了解释。优化后的UTC-PD光敏面面积为18μm2,反向偏压为3V,吸收层厚度为200nm,高斯掺杂在吸收层的顶端(距衬底表面956nm处)达到峰值,掺杂浓度为3×1019cm-3,特征长度为0.037时,UTC-PD的带宽达81GHz。4、基于漂移-扩散模型,提出了一种新型InP基UTC-PD。在吸收层采用组分线性渐变材料In0.62Ga0.38As0.82P0.18→In0.53Ga0.47As和高斯掺杂,在收集层保持掺杂浓度均值不变的前提下,采用阶梯掺杂实现电荷补偿,同时提高了带宽和饱和电流。理论分析表明,在光敏面面积为18μm12,反向偏压为3V条件下,该器件的3dB带宽为85GHz,直流饱和电流为152mA。此外,在零反向偏压下,UTC-PD的暗电流为27.4pA,在3V反向偏压下,UTC-PD的暗电流将近为1nA。5、进行了 UTC-PD外延片制作,并与人合作完成了 UTC-PD的性能测试,对于直径12μm的UTC-PD,在3V反向偏压和1550nm光入射波长条件下,其暗电流为7.87nA,量子效率为29.5%,3dB带宽为 5.2GHz。