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二维半导体材料,如石墨烯、过渡族金属硫化物、黑磷、氮化硼等,由于其独特的电学以及光学特性,被广泛地应用于集成光电子领域。在这些二维半导体材料中,直接带隙半导体黑磷填补了石墨烯和过渡族金属硫化物的带隙空白,并表现出各向异性的特点,对光具有选择性。另外,在电学上,黑磷具有较高的空穴迁移率,达1000cm2V-1s-1,展现出了优良的晶体管特性,这一系列优点掀起了基于黑磷的光电探测器件的研究热潮。但是,在实际应用中,由于二维半导体材料是一种具有原子层厚度的材料,对光的吸收很弱,这不利于光探测,因此需要设计新的器件结构来提高黑磷与光的相互作用。众所周知,硅波导技术已经广泛应用在光传输中。为了保证较低的传输损耗,对于常规光传输问题,尤其是在弯曲处,通常采用大尺寸弯曲半径以获得高的光传输效率。然而,如何在保证低的光传输损耗的同时,缩小器件尺寸,使其利于器件集成,也是本论文重点解决的问题之一。考虑到小尺寸和高传输效率,本论文创新地设计了一种基于二维半导体材料黑磷的光子晶体反射镜传输结构,在增强了弯曲处的反射效率的同时,更是有效的缩小了器件尺寸。对于二维半导体的电学特性来说,除了石墨烯因具备零带隙使其具有半金属性外,其他二维半导体材料,如过渡族金属硫化物家族的MoS2,由于在生长制备过程中材料本身的失配问题而产生高的接触电阻,这成为高性能MoS2光电器件发展的主要瓶颈之一。目前针对这一问题的报道旨在从材料本身研究入手,如掺杂、调节材料相变等,而对于器件在制备过程中由于工艺对材料和器件产生的影响及原因却缺乏系统深入的研究。另外,相比于传统块体半导体,二维半导体作为一种层状材料可以被放置在任意衬底上,因此可以实现具有多种器件结构的光电探测。黑磷由于其带隙可调、载流子移动性强、系统集成灵活等特点,在基于黑磷的宽带光电探测器方面已经有了大量的工作,成为目前研究最多的光电器件之一。但是,大多数的研究都集中在对光电晶体管结构的讨论上,比如构造不同形状的器件电极以及同种材料的不同堆叠等等,而对于这些结构中存在的噪声问题却缺乏相关研究。器件噪声的存在已经严重影响了器件探测的灵敏度,因此,针对降低器件噪声的方法还需要进一步的研究和报道。对于以上问题,本论文基于二维半导体及其电光特性进行了四个方面的研究。首先设计了光子晶体波导结构,研究二维半导体材料黑磷在该结构上对光吸收的情况。然后,设计了基于黑磷的紧凑型光子晶体反射镜结构,研究光传输效率。随后,实验上制备了石墨烯/MoS2异质结构,深入分析了氧等离子体和退火工艺对材料和器件的影响。最后,从降低噪声入手,制备了石墨烯/h-BN/BP异质结光电探测器,并深入研究了光电响应机理和噪声机制。详细的研究内容以及成果如下:1.本论文针对二维半导体材料黑磷对光的弱吸收问题,利用硅基光子晶体结构的光子带隙作用,设计了一种能够增强黑磷吸收的光子晶体波导结构。本次数值分析是采用时域有限差分（FDTD）数值方法,研究了光在基于黑磷的PCW结构中的传输光谱,并计算了黑磷对光的吸收率。通过优化结构参数,发现基于黑磷的光子晶体波导结构可以有效增强黑磷薄膜与光的相互作用,使得薄膜的光吸收性能得到改善,并且黑磷在1550 nm处获得36.8%的吸收率。2.基于对黑磷与光子晶体结构的研究,创新地设计了一种基于黑磷的超紧凑型光子晶体反射镜结构。本论文将黑磷薄膜作用在光子晶体反射镜上,构成90°弯曲波导,研究光在传输时通过光子晶体反射镜的反射效率问题。弯曲处反射镜尺寸不到5μm×5μm,实现了超紧凑型。另外,为了体现本次设计的优异性,在同一尺寸下还设计了多种结构的弯曲波导,对比发现,基于黑磷的超紧凑型光子晶体反射镜结构在弯曲处实现了最强反射,而且当入射光在TE模式下入射时,其反射效率在1550 nm可达94%。3.利用石墨烯半金属性特点,将其作为MoS2电极,获得了具有较高接触性能的石墨烯/MoS2/Ti/Au结构。相比于常规的MoS2器件,本论文中的器件得益于接触材料的改善。本论文通过两种工艺步骤进行研究,包括氧等离子体刻蚀处理工艺和退火工艺,并利用拉曼光谱和XPS手段,研究刻蚀和退火工艺过程带来的掺杂效应对材料和器件性能的影响。研究发现,两步工艺的结合不仅实现沟道处材料减薄,而且可以很好地改善器件在刻蚀过程中引入的杂质,最终取得了相对较低的接触性能,获得了35.7Ω·mm的接触电阻率。4.基于研究中采用石墨烯作为电极获得高接触性能的研究成果,本论文最后开展了基于低噪声的光电探测器研究,并制备了石墨烯/h-BN/BP vdW异质结光电探测器。相比于BP光电晶体管,本论文中的异质结器件得益于h-BN隧道阻挡层的插入,其显著阻止了由浅陷阱中心引起的暗电流涨落,实现了低噪声石墨烯/h-BN/BP vdW异质结光电探测器。该器件在中波红外具有较高的光电探测性能,最大光响应为40μAW-1,探测率达到1.02×109 Jones。另外,与BP光电晶体管相比,器件灵敏度提高了100多倍,这种高性能的改进可以归功于隧道辅助噪声管理。这项新技术为长波长光电探测的实际应用提供了一个很有吸引力的平台,同时也为控制噪声开辟了一条新的途径。