光探测技术是信息采集的重要手段,在军事、国防、工业生产、国民经济、科学研究、医疗设备、光通信等许多领域具有重要的应用,也是当前先进制造、人工智能等领域的核心支撑技术。传统硅基光电探测器目前应用最广,但受到硅材料光吸收和能带结构限制,在响应度、探测度等多个方面存在不足。近年来,新兴的石墨烯-硅异质结光电探测器以其卓越的整流特性、高响应度、高探测度、高稳定性等优点吸引了研究者的极大关注,目前其峰值响应度已经超越传统硅基PIN光电探测器,而且结构更简单,成本更低,具有很广泛的应用前景。为进一步提高硅-石墨烯新型异质结光电探测器的性能,本文从隧穿异质结构建、能带调控及光学吸收增强入手展开研究,主要研究内容包括:1、石墨烯-绝缘层-硅隧穿异质结光电探测器的结构设计和优化。在传统石墨烯-硅异质结光电探测器的结构基础上,在异质结界面引入一层薄绝缘层,构建了石墨烯-绝缘层-硅隧穿光电探测器,并对绝缘层的材料体系和隧穿层厚度进行了优化。器件I-V特性测试表明,插入～15 nm AlN薄膜的石墨烯-绝缘层-硅隧穿光电探测器的光响应特性表现最佳。2、石墨烯-氮化铝-硅隧穿异质结光电探测器的性能表征及光电流倍增机制研究。通过对石墨烯-AlN-硅隧穿光电探测器进一步的性能测试,隧穿层的引入使得器件暗电流抑制了约一个数量级,同时,器件实现了宽光谱的光响应度增强;在典型850 nm入射光下,器件响应度高达3.95 A W-1,外量子效率高达580%。进一步的器件能带结构分析表明,该隧穿探测器的高光增益来源于隧穿结构内部的高电场和光生载流子隧穿过程中的碰撞电离。3、基于二氧化硅介质微腔阵列的光电探测器光吸收增强的研究。为进一步提升器件的光吸收效率,我们通过自组装方法在传统硅基PIN光电探测器上制得了二氧化硅介质微腔阵列,并对此探测器进行了性能测试和研究。结果表明,二氧化硅介质微腔阵列实现了探测器宽光谱多波段的光响应增强,部分波段响应度提升了 20%以上,且此二氧化硅介质纳米球层对探测器其他性能如击穿电压、暗电流、结电容等并无明显影响。综上所述,本研究发展了一种结构简单、性能卓越、具有高电流增益的新型硅基隧穿光电探测器,并验证了隧穿结的光电流增益机制,为高性能石墨烯-硅异质结光电探测器的发展提供了新思路;此外,为进一步提升器件的光子吸收效率,论文还开发了基于自组装介质纳米球阵列增强探测器光吸收的方法,在商业应用方面显示出低成本、工艺简单、效果明显的独特优势。