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随着网络技术的不断发展,我们已经迈入了信息化高速发展的新时代,人脸识别和移动支付等新技术充斥着我们的生活,可以说,我们的生活每天都在和海量的信息打交道,而这样的时代对光纤通信系统也提出了新的要求,要求其可以实现更大容量和更长距离传输。作为光纤通信系统中的重要元件之一,光探测器也需具备更快的响应速度、更大的响应度和更优的高饱和性能。单行载流子光探测器(UTC-PD)利用电子作为单行载流子,有效地减少了器件的空间电荷效应,相较于传统光探测器,在高速高饱和特性上占有优势。此外,UTC-PD获得电子过冲速度所需的最佳电场相对较小,这就使得器件即使在相对较低的偏压下也可以实现高速响应。而低偏压也就意味着低功耗,同时可以简化封装和维护,延长器件寿命,符合光通信技术集成化的大势所趋,具有广阔的应用前景。本论文围绕低偏压(0-1V)下单行载流子光探测器的理论和实验研究展开,主要研究内容和创新如下:1.完成了UTC-PD结构的低偏性能研究和功能层优化。研究结果表明,对于Ishibashi等人提出的经典UTC-PD结构,在0.1V偏压附近器件高速性能较其他低偏压值更优;且低偏压与高偏压及零偏压性能相比,高速性能介于两者之间,在0.1V偏压下,直径7μm器件的3dB带宽达112GHz,明显高于零偏压的105GHz,略低于6V偏压下的122GHz。另一方面,研究发现吸收层、收集层的渐变掺杂和其它功能层的参数优化可以明显改善器件的高速性能。2.提出了一种新的UTC-PD结构,发现采用新型掺杂的收集层和渐变掺杂的空间层,可以显著改善低偏压下的高速响应。在0.1V偏压下,直径7μm的上述UTC-PD结构,其3dB带宽高达150GHz,较Ishibashi等人提出的经典UTC-PD结构增加了33.9%。既之,对器件做了进一步的优化,在吸收层采用偶极掺杂,在收集层靠近崖层一侧采用阶梯掺杂,可以进一步将器件带宽提升至181GHz,此带宽值高于目前报道的零偏压3dB带宽记录,且完全可以和高偏压下的器件带宽相媲美。3.具体分析了低偏压条件下不同垂直入光方式对器件性能的影响。研究结果发现,对于包含50nm厚P接触层的Ishibashi经典UTC-PD结构,在入射光波长为1550nm时,背入光条件下器件响应度和带宽均最高,上下两侧同时入光次之,正入光情形均最差。从理论上分析其产生原因,一是因为垂直正入光时,P接触层In0.53Ga0.47As对入射光有吸收,使得到达吸收层的有效光功率减少。二是当光探测器未达到饱和状态时,垂直正入光条件的UTC-PD吸收层内建电场强度较小,因而电子在吸收层的渡越时间较长,3dB带宽较小。4.较为系统地仿真分析了低偏压条件下UTC-PD阵列结构的性能。分析表明,入射光强相同时,由于电容效应的影响,UTC-PD阵列结构的3dB带宽随级联个数的增加而降低。但是,UTC-PD阵列结构显著提高了器件的高饱和特性,其光功率响应范围随级联个数的增加线性增长。此外,当1×4阵列结构和UTC-PD单个大尺寸结构光敏面面积相同时,由于阵列结构载流子横向传输距离更小,器件中心位置处的电场强度更大,因而高速性能更优。5.制备了UTC-PD器件并进行了性能测试。实验结果显示,在0.5V偏压下,直径32μm的UTC-PD结构其3dB带宽可达9.8GHz,明显高于0V偏压对应的2.6GHz。