单光子探测技术在国防军事、科学研究及民用生活等范畴具有广泛的应用前景,例如量子通信中的密钥分配、天文学中的激光测距以及医学中的荧光寿命成像等。短波红外InGaAs雪崩光电二极管是利用内光电效应,通过雪崩倍增机制进行光信号放大的单光子探测器件,具有全固态、体积小、功耗低、无需超低温制冷等特点已经成为新型红外探测器件的研究热点之一。本文在深入分析吸收、渐变、电荷控制、倍增分离结构InGaAs雪崩光电二极管工作原理的基础上设计了两种全新的器件结构,采用Silvaco Atlas仿真软件进行了一系列的研究,并对后续读出电路中的时间数字转换器模块进行了设计,主要内容包括:（1）设计了一种三级台面的InGaAs/InP雪崩光电二极管。针对边缘间距、电荷层、倍增层等结构进行了优化了设计,确定了器件的最佳性能参数,解决了传统台面型器件边缘电场和暗电流较高的问题,并对该器件在线性模式以及盖革模式下的光学和电学性能进行详细的分析。结果表明,在反偏电压40V时边缘电场为2.6×10⁵V/cm,仅为中心电场的1/2;器件暗电流为9.25pA(@0.9V_br),仅为传统两级台面器件的1/3,在门控模式下过偏压为5V时峰值探测效率为37%。（2）设计了一种吸收层加入In_0.66Ga_0.34As/InAs超晶格势垒的延伸波长型InGaAs/InP雪崩光电二极管,在保证器件光电流的同时降低了暗电流,并用能带理论解释了超晶格势垒降低暗电流的机理。结果表明,反向偏压为35V时,器件暗电流由2.2×10^-9A降至2.89×10^-11A,该结果证明设计思路正确合理。（3）为了将所设计的探测器应用于弱光探测领域,设计了一种粗细结构的时间数字转换器,完成了该结构各个模块包括粗略计时模块、精细计时模块、存储单元模块、串口通信模块的Verilog代码编写并使用Modelsim软件进行功能验证。