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短波红外线（Shortwave Infrared,SWIR）是指波长介于0.9～1.7μm之间的电磁波。这种人眼看不见的光与可见光十分相似,可通过在物体表面进行反射实现目标成像。SWIR技术具有分辨精度高、天气适应性强、装配简单等一系列突出优点,使其在航天遥感、工业检测、医疗诊断等领域有着巨大发展潜力。尤其是在SWIR范围内的C波段,一方面它是光纤光通信的主要波段;另一方面它也是人眼安全的波段,可以用于激光雷达、空间光通信等等。针对1550 nm波长的光电探测器件已经得到了长足的发展,其中以铟镓砷/磷化铟（indium gallium arsenide/indium phosphide,In Ga As/In P）为代表的Ⅲ-Ⅴ族探测器因其具有低暗电流和高探测效率等优势,已经有成熟的产品被广泛应用。但由于In Ga As/In P探测器的生产成本高,与现有的集成电路平台兼容性差,因此现有产品都是一些便携性较差、价格昂贵的体设备。相比之下,锗硅（germanium-on-silicon,Ge-on-Si）光电探测器可以与现有的微电子集成电路进行单片集成,成为SWIR光电探测的一种理想选择。但是现阶段的Ge-on-Si光电探测器在设计、建模和制备等方面仍存在一些问题:1.器件的暗电流较大,响应度较低。由于Ge、Si两种半导体的晶格常数差高达4.18%,现阶段在Si衬底上外延生长的Ge薄膜中存在大量的缺陷,导致器件在大电场作用下会产生较大的暗电流,严重抑制了器件的响应性能;2.对器件等效电路的建模思路较为浅显,且模型仿真效果并不理想。现阶段人们对Ge-on-Si光电探测器等效电路的建模思路主要为利用不同形式的RC谐振回路简单表示载流子在器件内部不同区域的输运情况,通过带宽求解模型中各集总电学元件的数值解,这些模型并非基于严格的半导体器件物理,并且无法针对Ge这种窄带隙半导体具有的弗朗兹-凯尔迪什效应（Franz-Keldysh,F-K）等物理特性进行有效建模。针对上述问题,本论文结合半导体器件物理方程为Ge-on-Si光电探测器建立了包含F-K效应的新型等效三端口电流源模型,对p-i-n型Ge-on-Si光电探测器的静态I-V曲线和动态带宽特性实现了精确仿真。并通过对掺杂结构和浓度的优化设计,充分地抑制了Ge、Si异质结处分布的电场,制备出低暗电流、高响应度的Ge-on-Si光电探测器,促进了Ge-on-Si光电探测器在SWIR弱光探测领域的实用化。本论文的主要创新性成果如下:1.基于半导体器件原理且物理效应更加全面的Ge-on-Si光电探测器等效模型的构建。区别于现有的等效电路模型只能利用RC谐振回路仿真探测器的动态响应特性,本论文通过分析基于p-i-n结构的Ge-on-Si光电二极管（photodiode,PD）内部自由载流子的输运过程,基于半导体器件物理为探测器构建相应的泊松方程、载流子输运方程和连续性方程,并由此求解出器件内部各区域的电势差和电流值,将Ge-on-Si PD抽象为一个具有光电转化效应的三端口电流源。该模型不仅可以准确表征探测器的带宽性能,计算器件在系统中的实际电学寄生参数;与此同时,考虑到Ge作为窄禁带半导体具有明显的F-K效应,在不同强度电场的作用下对不同波长光的吸收系数会发生改变。因此,我们结合器件的实际测试结果,构建Ge材料对C和L波段光信号的吸收系数与外加电压之间的函数关系,并通过将此关系导入到该等效电流源模型之中,实现对不同波长光信号的I-V响应曲线的仿真,由此更加精准地表征了探测器的静态探测性能,使得模型仿真与实际测试结果更加相符。2.具有高响应度和低暗电流优势的叉指型Ge-on-Si PD的研制。基于现阶段用于空间光探测的大尺寸表面照射型Ge-on-Si PD的响应度低于0.6 A/W的现状,本论文设计出Ge吸收区面积高达1760μm~2的表面照射型Ge-on-Si PD。该设计通过在Si衬底上制备出叉指型的p-i-n掺杂区域,将探测器的电场严格限制在Si衬底的本征区内,在保证Ge吸收区中的光生载流子受电场的作用可以顺利漂移至Si衬底的同时,减小了电场在Ge、Si接触面的实际分布面积,有效地抑制了器件工作时的暗电流,使得这种具有叉指结构的表面照射型Ge-on-Si PD的响应度可以达到0.64 A/W及以上。与此同时,我们为这种叉指型Ge-on-Si PD建立了包含F-K效应的三端口电流源模型,结合实际测试结果对器件内部的载流子复合寿命等物理参量与寄生电学参数进行了推导与分析。3.具有低暗电流优势的叉指型Ge-on-Si雪崩光电二极管（avalanche photodiode,APD）的研制。为了进一步抑制Ge-on-Si光电探测器的暗电流噪声,我们又在上述叉指型PD的基础上研制出具有叉指结构的Ge-on-Si APD,通过将电场约束在0.5μm的雪崩区中,最大限度地降低了Ge外延缓冲层中的电场强度。该器件在线性模式下的暗电流密度仅为m A/cm~2量级,当该APD工作在0.95倍击穿电压条件时,其暗电流约为200 n A,与文献报道的同类APD相比降低了几十倍。凭借低暗电流噪声的优势,该器件在光量子计算等低暗噪声探测系统中具有一定的应用价值。4.具有超低暗计数噪声优势的新型横向分离-吸收-电荷-倍增（separate absorption charge multiplication,SACM）结构的Ge-on-Si APD的研制。针对现阶段工作在盖革模式的Ge-on-Si APD对低温环境具有高度的依赖性,且无法有效测试1550 nm单光子脉冲信号的现状,本论文提出一种在室温环境下具有超低暗电流的横向SACM Ge-on-Si APD。通过优化掺杂区域的浓度和尺寸,该设计充分地抑制了分布于Ge、Si接触区的电场强度,使得器件在线性模式下的暗电流低于10-8 A。当器件工作在过剩偏置比为3.3%的门控盖革模式时,其暗计数率为1.3×10~8 cps,这与工作在200 K低温环境中的Ge-on-Si APD具有相同的量级,有效地降低了SWIR弱光探测系统对低温工作环境的依赖。在相同的偏置条件下,该器件对平均光子数为0.7的1550 nm弱相干脉冲的探测效率约为1.9%,对1550 nm单光子信号的理论探测效率为0.4%。该器件为制备出可以在室温环境下有效探测1550 nm单光子信号的单光子雪崩光电二极管（single photon avalanche photodiode,SPAD）提供了新的设计思路。