红外光电探测技术发展至今已有近九十年历史。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）,常被称为SWAP3。在这个背景下,新一代高灵敏度红外雪崩光电探测器和高工作温度红外光电探测器迎来快速发展。HgCdTe材料具有极高的光电转化效率、载流子输运特性好、响应范围随组分可调等优势,更为重要的是它在中长波红外波段,材料的电子空穴离化系数比非常大,是制备高性能电子注入型雪崩光电探测器的最理想材料之一。但是国内对于HgCdTe雪崩光电探测器的研究还处于起步阶段,存在材料生长和器件制备工艺仍在完善、暗电流及关联噪声大、雪崩电离机理不清晰、器件评估仍未形成标准等问题。为此,本论文建立了HgCdTe雪崩红外探测器的优化设计和性能评估方法,系统研究了HgCdTe雪崩光电探测器的暗电流抑制机理及关联噪声的起源。进一步的,面向未来SWAP3应用,初步研究了基于新型二维材料和非本征硅基红外光电探测器在高工作温度下的探测机理。本课题具体的研究内容和主要研究成果如下:1.平面结和台面结中波雪崩光电探测器暗电流雪崩机理研究。离子注入和原位掺杂技术是制备HgCdTe台面结和平面结雪崩光电探测器的两种掺杂工艺。本研究通过建立二维仿真模型,与实验测试结果对比得到了碰撞离化的唯象模型,澄清了在制备平面结与台面结中波HgCdTe雪崩光电探测器过程中出现的性能差异源于倍增区的掺杂及结构设计不一致。器件工作时倍增区电场强度会大大影响带间隧穿产生率和碰撞离化率,峰值电场强度在增大1.5倍的情况下,会导致碰撞离化率有4个量级以上的差异。本研究提出了优化HgCdTe雪崩光电探测器设计方案即要避免局域电场,使电场完全作用于光生载流子的碰撞离化才会获得高增益、低暗电流及关联噪声器件。2.非均匀局域场对雪崩光电探测器影响机理研究。非均匀局域场是影响雪崩光电探测器性能的主要原因之一。本研究通过激光束诱导光电流测试平台,表征了多次低温退火处理的离子束刻蚀HgCdTe线列样品结区横向电场以及In Ga As/In P雪崩光电探测器在保护环作用下的横向及纵向电场,研究发现80℃96 h的低温退火处理可以提高中波红外HgCdTe材料刻蚀区少子寿命;保护环可以有效抑制扩散工艺引入的横向电场,并且能够显著的抑制In Ga As/In P雪崩光电探测器线性工作模式下的非均匀尖峰电场。非均匀局域场表征和抑制可以为有效降低雪崩光电探测器件暗电流增益和防止预击穿提供研究思路。3.离子注入型中波雪崩光电探测器的保护环研究。离子注入型HgCdTe雪崩光电探测器工艺更加简单,制备周期更短。本研究通过建立离子注入型HgCdTe雪崩光电探测器退火关联的缓变结模型,发现器件带宽主要受吸收区内载流子输运速度地限制,器件带宽理论上可以达到3 GHz;另外本研究通过在离子注入型中波HgCdTe雪崩光电探测器中引入浅、中和深保护环结构设计,发现中和深保护环可以有效地降低暗电流、减小器件过剩噪声因子和提高器件的增益噪声比,相比于没有保护环设计的器件,暗电流在-8 V的偏压下分别降低了1.6倍和2倍,增益噪声比也有近1个量级的提升。此项工作可以为制备高信噪比中长波红外HgCdTe雪崩光电探测器提供基础理论指导。4.高工作温度二维红外探测器的建模和光电探测机理研究。基于对传统材料暗电流及关联噪声的分析机理,本课题对新型二维材料红外探测器进行了基础研究。通过对二维材料吸收特性的计算,结果表明当二维材料的吸收系数大于105cm-1时,可以用于制备高性能红外光电探测器。并以黑磷（BP）为例,计算了100nm厚度的BP器件的中红外峰值探测率可以达到6.3×1010 Jones。另外,通过TCAD建模,得到了由于二维材料非对称特征制备台面结与平面结器件的优缺点,解释了二维材料易调控及显双极性的原因,设计了面内调控pn结的方法,并解释了一些实验观测现象。5.高工作温度非本征Si红外探测器的光电探测机理初探。硅芯片代表当前最成熟半导体产业。然而受限于Si的本征能带,制备基于光电效应的Si基超带隙红外探测器是一项有意义的工作。本课题通过在Si中引入深能级杂质带,设计了阻挡杂质带器件结构,制备了常温工作具有超带隙探测能力的非本征Si红外探测器。通过测试及分析表明,器件1000 K黑体探测率（1.1mm滤光）为4.5×108 Jones,1550 nm量子效率可以达到6%,探测波长可达中红外波段。最后利用器件实现了红外吸收谱的微区表征、反射谱二维绘制和实物样品的成像。