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随着光通信技术的发展和社会信息化程度的提高，弱光探测技术的应用越来越广泛。雪崩光电探测器（Avalanche Photodiode，APD）是一种具有内部增益的半导体探测器，且具有体积小、工作电压低、不受磁场影响、可在室温范围工作等优点，已成为弱光探测领域的一个研究热点。硅基雪崩光电二极管（Si APD）由于硅材料中空穴与电子的碰撞离化率比值低、雪崩击穿电压随温度变化小、隧道电流低等优点，使得SiAPD增益高、噪声低且稳定性好，而在400nm~1100nm波段探测中占据重要地位。本文以研发高增益、低雪崩击穿电压SiAPD为目标，依据雪崩击穿原理，在传统APD的结构基础上设计优化了一种吸收区与倍增区分离的雪崩光电二极管-----台面结构Si APD。通过Silvaco半导体器件模拟软件对器件在反向偏压下的电场分布、能带分布进行了分析，讨论了倍增层掺杂、漂浮环掺杂、台阶尺寸与SiAPD的I-V、光谱响应、增益等特性等光电学参数的关系，尤其是对台面结构SiAPD特有的台阶尺寸效应进行了分析，从而优化设计了台面结构SiAPD的器件参数。本文的主要研究工作包括以下几个方面：（1） SiAPD的等效电路模型的建立对吸收区与倍增区分离的APD内部电场分布进行了理论分析，而后通过载流子速率方程和光子密度速率方程建立了SiAPD等效电路模型，讨论了倍增层宽度与APD雪崩击穿电压、吸收层宽度与响应特性的关系。结果表明：随着倍增层宽度的降低其内部电场强度逐渐增大，而APD的雪崩击穿电压却逐渐降低；吸收层宽度的降低使得光生载流子的渡越时间降低，有利于提升APD的响应速度，但同时会降低光生电流和量子效率。（2）新型台面结构Si APD设计与仿真a）研究了Si APD的倍增层掺杂对器件雪崩击穿电压和光谱响应的关系。研究发现雪崩击穿电压和光谱响应度等特性与硅基雪崩光电探测器倍增层的掺杂浓度有直接关系。在硼的注入剂量由5.0×1012cm-2减小为2.5×1012cm-2时，倍增层内电场强度逐渐降低、吸收区电场强度迅速增大，器件的雪崩击穿电压由16.3V迅速上升到203V，同时由于吸收区的光生载流子输运效率的提升使得光谱响应在95%的击穿电压下，峰值响应波长由480nm红移至800nm，对应的响应度由11.2A/W剧增到372.3A/W。b）台面结构Si APD的漂浮环与衬底、电荷层P+层形成势垒层，其内建电场与器件整体电场相反，降低了台阶侧壁的电场，使得光生载流子在输运时向靠近台阶中心的区域输运，可以有效的抑制台阶侧壁附近的雪崩倍增，降低表面暗电流，提高器件的增益。模拟结果表明，漂浮环的注入剂量由0逐渐增加到1×1011cm-2，Si APD的增益由5×103而增大到2.5×104。c）台面结构Si APD的器件特性与台阶尺寸有直接关系：随着台阶尺寸的减小，Si APD的暗电流随之减小，器件台阶底部的势垒高度增大，这使得漂浮环的作用相对增强，有利于增益的进一步提升。台阶宽度从10μm减小到0.1μm时，器件的雪崩击穿电压由于尺寸减小，台阶柱中电阻变大，导致Si APD的雪崩击穿电压逐渐增大，而器件的增益由于暗电流的降低、漂浮环的作用增强，从104量级指数增大到106量级，从而实现了高增益特性。（3）离子注入及退火工艺的模拟研究通过对离子注入及热退火工艺的模拟，研究了器件杂质掺杂分布的影响随着不同工艺条件的变化。模拟研究发现，随着热退火时间的增加，注入杂质逐渐扩散，使得器件倍增层宽度逐渐降低，从而有利于获得低的雪崩击穿电压，但是，通过Si材料的透射谱发现快速热退火时间过长会使得高密度缺陷的扩散，不利于器件的制备。