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随着信息化社会的不断发展,大数据、云计算、物联网等新兴业务对网络带宽的需求急剧增大,现有的骨干通信网络无法满足日益增长的互联容量需求,迫切要求进一步提升传输容量和带宽。面对现阶段网络高速和大容量的需求,发展超高速率、超大传输容量、超长距离的光纤通信系统已经成为亟待解决的首要问题。光电探测器作为光纤通信系统中的核心器件之一,其性能的优劣对整个光纤通信系统的性能起着关键性作用。高速大功率光探测器不仅可以对高比特率的光信号进行快速响应,而且也具有较高输出的饱和电流。本论文主要围绕用于光通信的高速大功率单行载流子光探测器(UTC-PD)的研究开展工作,并对单行载流子光探测器进行了实验制备与测试。本论文主要研究成果和创新如下:1、理论学习了UTC-PD的基本原理,对UTC-PD的各项性能参数以及小信号模型进行了分析。建立了光探测器的二维仿真模型,深入研究了 UTC-PD的载流子迁移率、电场分布、折射率和能带等微观特性,给出了设计具有高速高量子效率以及高饱和电流特性的UTC-PD的方法。2、分析了器件外延层结构参数包括厚度和掺杂浓度与UTC-PD性能之间的关系。研究表明,改善吸收层和收集层中的电场分布,可以提高电子的输运速度,减小空间电荷效应,从而有效地提升UTC-PD带宽及饱和电流特性。同时发现了 UTC-PD的带宽随入射光强的增大先缓慢增加,而后快速下降的现象,并从能带图和电场两个方面对其做了解释。3、设计了一种优化的具有高速高饱和输出性能的UTC-PD结构。分析了在吸收层采用高斯掺杂方案以及在收集层上方引入薄的高掺杂的崖层对UTC-PD高速性能的影响,同时对器件的吸收层、崖层、收集层厚度和浓度进行了优化。研究表明,采用优化结构的UTC-PD的高速和饱和性能得到明显改善,其3dB带宽可达53GHz、响应度可达0.34A/W,饱和电流高达120mA。4、提出了双吸收层结构的单行载流子光电探测器(UTC-PD),解决了垂直入射型光探测器难以同时实现高带宽和高量子效率的问题。对比分析了双吸收层和单吸收层结构的UTC-PD的性能特性,在2V偏压和1550nm的波长下,直径为30μm的双吸收层结构的UTC-PD和单吸收层结构的响应度分别为0.33A/W和0.17A/W,3dB带宽分别可达52.2GHz和60GHz。双吸收层的UTC-PD的带宽效率积比普通的UTC-PD增加了约70%。表明双吸收层结构UTC-PD在不牺牲高速性能的同时具有较高的响应度和量子效率。5、进行了 UTC-PD外延片质量测试以及后工艺制备,并完成了UTC-PD的暗电流、量子效率以及3dB带宽测试,针对实验中的出现问题进行了分析。实验结果显示器件在3V偏压和1550nm的波长下暗电流为7.3nA,量子效率和3dB带宽分别可达28%与11.2GHz。