无线通信业务量的急剧增长,迫切需要提高传输速率和容量,光载无线通信系统应运而生。提高此系统的数据传输容量,要求光接收机中的光探测器具有宽带高功率输出等特性。光通信系统中的光探测器的研究现状表明单行载流子光探测器(Uni-Traveling-Carrier Photodetectors,UTC-PDs)是一种能实现宽带高功率输出性能的独特结构,有望应用于光载无线、雷达和卫星等通信系统、高速测量系统、超高速光开关,成为当今高速光电子器件领域的研究热点。本论文围绕设计、优化和制备宽带、高功率、低功耗的UTC-PDs等方面展开研究。完成的主要研究内容及创新点如下:1.设计了改进型的零偏压宽带UTC-PD。在传统结构的基础上,通过在吸收层中同时引入梯度掺杂分布和渐变带隙材料,在吸收层和收集层之间采用偶极掺杂且插入组分渐变的间隔层,优化了吸收层和间隔层的掺杂浓度及收集层和间隔层的厚度,提高了零偏压UTC-PD的带宽和输出功率。2.由于限制传统背靠背光探测器性能的主要因素是器件的总电容,且其底部PN结的电容几乎是顶部PN结的两倍。所以,提出了底部PN结与顶部PN结的结面积相等的对称型背靠背光探测器结构。与传统结构相比,所提出结构的带宽和输出功率性能都有所改善。3.提出了一种在收集层中采用线性梯度掺杂的电荷补偿型UTC-PD,用于在零偏压和低偏压下产生高功率的毫米波/亚太赫兹波。与其它结构或实验结果相比,电荷补偿型UTC-PD的带宽随输入光功率增加而衰减的趋势会得到抑制,且其在高功率输入下的带宽得到改善。此外,相同条件下,与收集层中均匀掺杂浓度为1014 cm-3量级的器件相比,即使在170 GHz和零偏压或低偏压下运行,电荷补偿型UTC-PD的峰值输出功率至少提高了7 dB。4.提出了一种蘑菇型台面UTC-PD,该结构中的吸收层直径大于收集层直径,且通过仿真和理论计算得出收集层直径与吸收层直径之比为0.9时性能最佳。当吸收层直径为5 μm时,与传统结构相比,蘑菇型台面UTC-PD的带宽提高了4.3%,在线性区的射频输出功率提高了0.6 dB。所提出结构可以在需要微型化结尺寸时在一定程度上缓解外部量子效率和带宽之间的矛盾。5.设计了可探测光脉冲重复频率覆盖微波至太赫兹波,且能将强光脉冲转化为强电脉冲的UTC-PD。在重复频率为100 GHz、200 GHz和312.5 GHz的光脉冲串激励下,改进的零偏置UTC-PD的峰值输出功率分别可达4.685 dBm、1.128 dBm和-4.653 dBm,与实验报道结构相比分别提高了2.05 dB、5.15 dB和9.36 dB。6.为减小串联电阻,从而减小光探测器的热效应并提高RC限制的带宽,给出了制备具有低欧姆接触电阻的工艺。通过实验和理论分析发现P型接触层的侧向电阻远大于N型接触层的侧向电阻,所以光探测器台面顶部的接触层导电类型为P型,且选择金属电极全覆盖此接触层将有利于制备高性能的光探测器。制备了P型接触电极环覆盖台面顶部的PIN或UTC光探测器和P型接触电极全覆盖台面顶部的PIN或UTC光探测器,通过实验证明了上述推论。7.制备了具有传统及改进型外延层结构的两类UTC-PD。测试结果表明,在相同条件下,与传统UTC-PD相比,改进型UTC-PD的直流饱和及暗电流性能均有所改善,且当光电流小于2 mA时,其带宽得到提高。在零偏置下,具有20 μm和14 μm台面直径的改进型UTC-PD的3dB带宽分别可以达到20.8 GHz和40 GHz。当反向偏压为1 V时,台面直径分别为20 μm、14 μ和10 μm的改进型UTC-PD的3dB带宽分别可达36.6 GHz、52.2 GHz和75 GHz。台面直径为14 μm的改进型UTC-PD在零偏压下的最大射频输出功率分别为-20.2 dBm@20 GHz、-22.8 dBm@30 GHz和-24.4 dBm@40 GHz。上述研究结果达到了国内外现有的研究水平。