1-3μm波段的短波红外半导体光电探测器是量子通信、量子计算机、三维传感、5G高速光通信等领域的核心器件,被广泛应用于国防、通讯、无人驾驶等军用、商用、民用领域。在这些应用的推进下,短波红外半导体光电探测器朝着高灵敏度、高速及片上集成方向发展。为了提升光电探测器的性能,新型光电探测材料的开发,新型器件结构的设计,以及探测器片上集成化已经成为促进短波红外光电探测器发展的重要研究课题。本论文以解决国家卡脖子的核心光电探测器芯片技术为出发点,对短波红外波段的几种典型光电探测器的关键技术、新型材料及新结构进行了深入的研究,主要研究内容包括:1.高灵敏的单光子雪崩二极管:针对单光子雪崩二极管在外延结构提升器件性能上所遇到的设计瓶颈,采用引入外部光学结构的方法提升器件性能。利用传输矩阵法设计金属-分布式布拉格反射镜,并分析其不同入射角度的光谱反射效率,以此设计出基于宽谱全反射器优化的单光子雪崩二极管。针对核心工艺锌扩散开发了锌扩散预处理、锌扩散的表征分析和锌扩散槽结构等优化方案,并以此开发完整的流片工艺,最终得到了 12 μm直径有源区超低本征暗计数率的单光子雪崩二极管。自主优化设计与制备的单光子雪崩二极管在10%、20%、30%探测效率下（温度均为233 K）分别实现了 127 Hz、361 Hz、665 Hz本征暗计数率的高灵敏低噪声的优异特性,且在同一探测效率下本征暗计数比商用器件低一个量级。为实现高性能单光子雪崩二极管的国产化作出了技术积累。2.易于集成的少层黑磷的激子特性:针对易于集成的少层黑磷吸收效率较低难以作为光电器件应用的问题,提出了利用金属纳米结构产生耦合场增强的方法增强少层黑磷的激子共振吸收峰,并使用各向异性结构提高少层黑磷的偏振敏感性。在目前研究的黑磷激子共振特性的基础上,提升4层黑磷激子共振峰至原有的5.8倍,吸收值高达84%,同时偏振选择比大于30。展望了基于耦合场增强的少层黑磷激子效应在可调谐、偏振敏感及片上集成光电器件的应用前景。3.表面等离激元增强的高速单行载流子光电探测器:针对垂直面入射单行载流子光电探测器设计中面临的提升响应度与增加3dB带宽的矛盾,以及目前表面等离激元探测器所面临的材料质量导致的综合性能不及商用器件的问题,提出了金属纳米结构与单行载流子光电探测器相结合的表面等离激元单行载流子光电探测器。完成器件的建模设计、优化流片工艺并制备出高性能垂直入射单行载流子光电探测器。与同一结构无表面等离激元增强的单行载流子光电探测器相比,表面等离激元增强的单行载流子光电探测器实现了响应度性能从0.052 A/W到0.118 A/W的2倍以上的提升。并且改进前后两者的3dB带宽均超过40 GHz,暗电流均为2 nA左右。在此基础上,计算出吸收层厚度远小于倍增层的理想情况下器件设计的最佳3dB带宽与结面积的理论模型,为400 GHz光电二极管提供了设计思路。4.高速倏逝耦合波导光电探测器:针对单通道大于100 Gbit/s且易于片上集成的光通信核心光电芯片国产化的发展需求,研究了集成楔形模斑转换器的倏逝耦合波导光电探测器。通过仿真优化垂直楔形模斑转换器和外延结构的特征尺寸,设计出0.63 A/W的高响应度、3dB带宽为48 GHz,且易于片上集成（集成了楔形模斑转换器）的高速倏逝耦合波导光电探测器。本论文的主要创新点包括:1.基于传输矩阵法设计出宽谱的金属-分布式布拉格反射镜,并利用此反射镜提高小有源区面积单光子雪崩二极管的量子效率。利用较小面积的有源区对应的较低本征暗计数率和量子效率的提升对应探测效率的提升,得到具有较低暗计数率和较高探测效率的优异综合性能的器件。流片制备出在相同温度和探测效率等工作条件下比商用器件本征暗计数率低一个量级的12 μm直径有源区超低本征暗计数率的单光子雪崩二极管。2.通过各向异性的金属纳米结构产生的局域表面等离激元共振与法布里-珀罗共振结合,实现对少层黑磷的耦合场增强。利用金属纳米结构所产生的耦合场增强的近场增强特性以及各向异性结构的偏振选择特性,增强二维材料黑磷的激子共振峰吸收值和偏振选择比。所设计的结构使得4层黑磷激子共振峰处吸收值提高约5.8倍达到84%,并且保持大于30的偏振选择比。3.提出了基于金属纳米结构所产生的局域表面等离激元共振增强的高速单行载流子探测器。利用局域表面等离激元共振的亚波长尺度陷光与场增强特性,提高薄吸收层的单行载流子探测器的响应度特性。在不影响暗电流、3dB带宽等器件特性的基础上,增加的金属纳米结构使得具有120 nm厚吸收层的垂直入射型单行载流子探测器的响应度提升至原来的2倍。4.提出了集成楔形模斑转换器的倏逝耦合波导探测器有源与无源器件的光电集成设计方法。通过将光学仿真产生的吸收层光场分布转化为光生载流子分布导入到电学仿真模型,实现光学与电学模型联立仿真,完成波导型光电器件光电性能的闭环仿真设计。并以此设计出3dB带宽达48 GHz的高速倏逝耦合波导光电探测器。