碲镉汞由于其高量子效率、高工作温度范围、禁带宽度连续可调、电子迁移率高等优点成为高速、高分辨率、高光谱探测应用领域最具竞争力的红外探测材料。随着第二代碲镉汞红外焦平面技术逐步进入实用化和产品化,第三代碲镉汞红外焦平面技术的研究也随之展开。当前,红外探测系统的发展方向是更小尺寸（Size）、更低重量（Weight）、更小功耗（Power）、更低价格（Price）和更高性能（Performance）,简称SWa P3。然而随着尺寸和重量的减小,碲镉汞焦平面探测器显著地受到其暗电流特性的影响,特别是在高温探测及弱信号探测领域迟迟无法实现向更广泛实际应用的突破。为此,本文对基于能带工程的势垒阻挡型碲镉汞光电器件展开了深入研究,从工艺和器件性能两个角度对碲镉汞nBn器件进行了物理特性探索及结构优化设计。进一步地,将高增益雪崩探测器耦合到势垒阻挡型碲镉汞器件当中,并进一步在其中引入双色探测功能,设计了雪崩光电二极管（avalanche photodiode,APD）、pBp-APD、俄歇抑制型nBvn、双色nBn、双色pBp-APD结构等,旨在为具有高工作温度、高增益、低暗电流、双色探测能力的新一代HgCd Te红外焦平面器件的研发提供理论依据及器件设计指导。本课题具体的研究内容和主要研究成果如下:1.碲镉汞长波红外nBn光电探测器研究。对于碲镉汞器件而言,nBn探测器可以避开制备P型材料的困难,其对SRH电流及表面漏电的抑制效果也有助于制备低漏电流、高性能的长波碲镉汞器件。在实验结果的基础上,建立了长波红外碲镉汞nBn光电探测器仿真模型。通过在势垒层两侧增加镉组分缓变层的设计,可以显著减小其价带偏移并降低少子势垒,从而能显著改善光生载流子的输运,在180K下其探测率可以提升超过两个数量级。提取并分析了其耗尽区、能带结构及光响应等物理特性,确定了长波碲镉汞nBn器件的最佳工作电压。在模拟中还考虑到了实际退火工艺带来的组分及掺杂扩散对器件性能带来的影响,研究结果发现退火会导致器件实际结构与设计值产生较大偏差,这会导致器件暗电流的显著提升。此外,从暗电流和光响应两个维度综合考虑器件性能,对器件的结构和物理参数（包括厚度、掺杂浓度和镉组分）提出了优化设计方案。本文建立的模型和模拟计算结果可为碲镉汞长波红外nBn器件的进一步研究提供重要的理论支持。2.势垒阻挡型碲镉汞pBp-APD结构的设计和研究。碲镉汞电子空穴离化系数差异大的优点使其成为制备低噪声红外APD探测器的最佳选择,然而由于其内增益效果,碲镉汞APD的实际应用尤其是高工作温度的应用严重地受到其高暗电流的限制。本研究提出了一种新的势垒阻挡型长波碲镉汞pBp-APD结构,并将其性能与传统台面结碲镉汞APD进行了对比。研究结果表明,与传统的APD相比,在260K下pBp-APD结构可以将暗电流降低超过一个数量级。进一步的研究表明其暗电流抑制效果的关键在于降低了雪崩暗电流。通过对pBp-APD器件的内禀物理特性的进一步提取和研究,揭示了雪崩暗电流抑制效果的物理本质是吸收区载流子的耗尽,通过对其能带和电场分布的分析,进一步证实了改进结构的可行性。此外,pBp-APD在高温下对增益归一化暗电流（GNDC）的降低不需要以牺牲增益特性为代价。随后对不同结构参数下pBp-APD器件的物理特性进行了进一步的计算和分析,明确了pBp-APD结构设计的重点在于对其电场分布特性的控制。提出的新型长波红外pBp-APD结构设计将为碲镉汞红外APD向高工作温度的发展奠定理论基础。3.俄歇抑制型碲镉汞nBvn器件结构研究。正常碲镉汞材料在高温下由于本征载流子浓度过高而导致较高的俄歇复合电流,为了扩大碲镉汞器件的工作温度范围提出了nBvn结构以对吸收区载流子浓度进行耗尽从而降低其漏电流。本研究对nBvn结构的俄歇抑制原理进行了分析,揭示了其俄歇抑制现象的深层次物理机制来源于吸收区内空穴的耗尽。通过将碲镉汞nBvn结构与nBn结构的暗电流特性进行对比,进一步证实了其在高温下对暗电流的抑制效果。另外传统的nBvn结构设计通常会引入额外的异质结而显著提高制备工艺要求,本研究对于两个不同结构nBvn结构设计的暗电流特性进行了分析和比较,研究结果发现引入额外的异质结并不会明显改善器件的漏电流特性,而引入同质结的设计则可以降低其工艺制备难度。nBvn结构设计为制备高温工作长波红外碲镉汞nBvn器件提供理论及工艺设计指导。4.碲镉汞双色探测nBn器件研究。双色探测是第三代碲镉汞红外焦平面的一个重要组成部分,而nBn特殊的结构设计使其具有实现双色探测的能力。本研究对碲镉汞nBn探测器的双色探测性能进行了研究,研究结果显示碲镉汞nBn器件结构具有优秀的双色探测功能,其在长波探测模式下可以在保持较高响应率的同时很好地抑制中波光谱响应。而其工作在中波探测模式下可以在接近零偏下工作,这可以显著提高其图像输出速率。与一般nBn结构相比,双色探测模式可以在提高中波量子效率的同时不引入较多额外的体暗电流。5.双色探测碲镉汞pBp-APD器件研究。军用和民用领域都对碲镉汞红外雪崩探测器与双色探测功能提出了更高的要求,然而目前尚未有这两种探测功能在同一器件上同时实现的报道。本研究设计了一种具有双色探测能力的碲镉汞pBpAPD器件结构,研究结果显示所设计的结构具有双色探测功能。对中波探测模式下能带结构的研究结果表明,中波探测对反偏的进一步提升并不会破坏势垒阻挡设计对暗电流的抑制效果。对电势差分布和暗电流特性的进一步分析表明,双色结构的引入也不会导致较大的正向扩散电流。本研究所提出的双色探测pBpAPD结构有望将高工作温度、低暗电流APD器件的发展进一步拓展到双色探测领域。