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高速大容量光通信系统的不断发展,要求其中起光电转换功能的光探测器具有高速、高响应度和高饱和输出等特性。然而,传统的PIN光探测器由于存在高光强注入下的空间电荷效应限制了饱和光电流的输出,以及带宽与响应度之间相互制衡等问题,很难满足当今光通信系统的要求。为解决这一问题,单行载流子光探测器(Un-traveling-crrier photodetector,UTC-PD)应运而生。由于 UTC-PD可单独设计光吸收层和收集层,并且只用电子作为有源载流子,因此可以实现高速、高饱和输出等特性,除了应用于光接收机外,还广泛用于超高速光开关、发射机、高速测量系统、毫米波或亚毫米波发生器,已成为当前光电子器件领域的研究热点。本论文以用于光通信系统中的UTC-PD的基本理论为出发点,从器件的结构设计、性能仿真、实验方案、工艺制备、准单片集成及性能测试等方面进行了深入系统的研究,完成的主要研究内容及创新点如下:1.提出了吸收层和收集层均采用高斯渐变掺杂分布的一种改进型高速、高饱和单行载流子光探测器(Modified uni-traveling-carrier photodetector,MUTC-PD),并研究了与高斯渐变掺杂分布相关的char因子、峰值掺杂浓度、峰值掺杂浓度位置及崖层掺杂浓度。当反向偏压为1.5 V、入射光波长为1550 nm时,对入光面积为14 μm2的器件进行了研究,结果如下:(1)当吸收层高斯掺杂分布的char因子为0.052、峰值掺杂浓度为6.08×1018 cm-3时,MUTC-PD可以实现195 GHz的带宽,与普通UTC-PD相比,其带宽性能得到了改善,但响应度保持不变,为0.11 A/W。相同条件下,吸收层内的峰值掺杂浓度位置越靠近P电极一侧,MUTC-PD的高速性能就越好;当崖层掺杂浓度增加到4×1018 cm-3时,MUTC-PD实现了高于200 GHz的带宽和～50 mA的输出饱和电流。(2)保持吸收层的高斯掺杂分布(char为0.052,峰值掺杂浓度为6.08×1018 cm-3)、崖层的掺杂浓度(3×1018 cm-3)不变,当增加收集层的平均掺杂浓度到5×1017 cm-3(峰值掺杂浓度为1.92×1018 cm-3)时,MUTC-PD的带宽提高了 4.5%(从195 GHz提高到199.5 GHz)、输出饱和电流提高了 11.5%(从34.9 mA提高到38.9 mA)。(3)当注入光强为2×106W/cm2时,MUTC-PD的带宽仍保持在160 GHz以上,显示出对高注入光强有较强地处理能力。2.提出了采用混合吸收结构单行载流子光探测器(Hybrid absorber UTC-PD,HA-UTC-PD)以实现对零偏压和低偏压下的光探测,并研究了该器件的高速、高响应度及高饱和输出等性能。当入射光波长为1550 nm时,对吸收层厚度为220 nm、入光面积为14 μm2的HA-UTC-PD进行了研究,结果如下:(1)经过优化发现,在零偏压下,当本征吸收层厚度为64 nm时,器件实现的带宽最大,高达60.6 GHz;在低偏压和正常偏压下,当本征吸收层厚度为150 nm时,器件实现的带宽最大,分别为104.1 GHz@-0.5V、110.9 GHz@-1.0V、120 GHz@-2.0V。(2)用带宽饱和电流积(Bandwidth saturated current product,BSCP)对HA-UTC-PD的性能进行了对比分析。在零偏压下,当本征吸收层厚度为64 nm时,HA-UTC-PD不但实现了高达1916 GHz·mA的BSCP,而且可以实现0.21 A/W的响应度。在低偏压和正常偏压下,当本征吸收层厚度为150 nm时,HA-UTC-PD的BSCP分别为:3660 GHz·mA@-0.5 V、4807 GHz·mA@-1.0 V 以及 6508 GHz·mA@-2.0 V,响应度为 0.26 A/W。3.利用MUTC-PD和HA-UTC-PD理论设计了一种高速、高响应度UTC-PD结构,将高斯渐变掺杂分布引入到吸收层中并对其本征吸收层进行了优化,完成了器件的外延生长、质量测试、工艺制备和相关测试,器件性能如下:(1)当器件直径为40 μm、反向偏压为3.0 V、入射光的波长为1550 nm时,器件的暗电流为8.0 nA,响应度0.68 A/W,带宽为11 GHz。(2)当反向偏压从1.0 V增加至6.0 V时,入射光的波长为1550 nm、1560 nm和1590 nm时,器件的响应度分别增加了 3%、4.4%和3.1%。器件耗尽吸收层中的碰撞电离和弗朗兹-凯尔迪什效应共同导致了响应度的增加,通过采用较薄的耗尽吸收层减小这两种效应。4.提出并实现了一种新型的 UTC-PD(High reflectivity UTC-PD,HR-UTC-PD)结构,用于解决器件响应度与带宽之间的制衡。该集成器件采用BCB晶片键合工艺,实现了 GaAs/AlGaAs-DBR与UTC-PD的准单片集成。对直径为40 μm的HR-UTC-PD进行测试,其性能如下:(1)当反向偏压为3.0 V、入射光的波长为1560 nm时,器件获得了高达0.88A/W的响应度,与无DBR的UTC-PD相比,性能提高了 24.4%。(2)当反向偏压为6.0 V、入射光的波长为1550 nm时,器件获得了 13.87GHz的3dB带宽;同时,在10GHz频率处,器件获得了50 mA的输出饱和电流以及-3.5 dBm的射频输出功率。5.提出了一种基于非周期环形亚波长光栅(Non-periodic concentric circular subwavelength grating,NP-CC-SWG)的新型UTC-PD结构,并采用BCB晶片键合工艺将其实现。对直径为40 μm的准单片集成器件,在1550 nm波长的入射光下进行了测试,其性能如下:(1)当反向偏压为3.0 V时,器件获得了 0.86 A/W的响应度和18GHz的带宽,与无NP-CC-SWG的UTC-PD相比,响应度性能提高了36.5%。(2)当反向偏压为6.0 V时,在10 GHz频率处,器件获得了 17.56 mA的输出饱和电流和-1.77 dBm的射频输出功率,此时的3dB带宽接近18 GHz。