硫化铅探测器具有短波红外高灵敏度、低俄歇噪声等优点，其中化学水浴法合成的硫化铅薄膜可与 CMOS半导体工艺兼容，有利于实现低成本高性能的面阵探测器。然而，目前对化学水浴法合成硫化铅探测器的研究主要集中在较大尺寸的单元探测器。本文基于化学水浴法合成硫化铅薄膜，利用离子束刻蚀工艺，制备了 10～200.m尺寸的硫化铅光电探测器，研究了器件光电性能随电阻、长宽比、线宽等参数的变化。结果表明，随着尺寸的减小，硫化铅光电探测器的响应度逐渐增加，在 1550 nm短波红外光的照射下， 10.m级器件的响应度达到了 51.68A/W，约为 200.m级器件的 123倍，且在可见光和 2.7.m红外波长下也具有良好的宽波段光电响应。本文研究的微米尺寸探测器件可为硫化铅探测器研究提供一定的支撑。

石墨烯光电探测器具有兼容性好和宽波段响应等优势, 其读出电路可类似于微测辐射热计等传统探测器。然而, 石墨烯光电探测器一般属于光子型, 其响应度、功耗和积分时间等具有显著差异。针对纯石墨烯、石墨烯 -硫化铅异质结、硫化铅和典型微测辐射热计 4种探测器, 结合实测器件参数, 进行读出电路的对比研究。仿真结果表明：由于其较高的响应度, 实现相同的输出电压, 石墨烯 -硫化铅异质结探测器所需的积分时间最少, 更利于高帧频应用。另一方面, 与微测辐射热计相比, 石墨烯探测器具有较高的功耗, 而分析表明合理的器件结构设计可有效减小功耗。本文的研究工作可为二维材料等新型光电探测器的读出电路选择和参数设计提供参考。

石墨烯具有超高载流子迁移率、零带隙、宽波段响应等性质, 是具有潜力的红外光电探测材料。通过分析石墨烯基红外探测器的发展历程, 综述了石墨烯红外光电响应的机理, 对石墨烯基探测器的响应度、波段、速度等性能和器件结构进行了梳理, 并围绕石墨烯基探测器在材料制备、工艺兼容性等方面的挑战进行了探讨和展望。

为了解决石墨烯探测器光电探测的难题, 针对石墨烯探测器受光照像元电阻发生变化的特点, 设计了基于石墨烯探测器的新型积分电路结构。该积分电路结构主要包含前端偏置电路、运算放大器以及开关和反馈电容等部分, 电路主要利用暗像元电阻不随光照变化, 而感光像元电阻会随光照强度变化而变化的特点, 将光照条件下暗像元支路的电流与感光像元支路电流的差作为光响应电流, 并采用CTIA积分电路进行电流积分, 将光响应电流转换为积分电压输出, 进而实现石墨烯探测器对光响应信号的探测和输出。文中对相关的主要电路设计进行了分析, 并基于Cadence ADE仿真环境完成了电路仿真。经仿真分析, 基于文中的积分电路, 可以将不同光照条件下石墨烯探测器的光响应转换为对应的积分电压输出。可见, 所设计的积分电路能够满足石墨烯探测器对光响应探测的需求, 对石墨烯材料进入光电探测器领域具有重要意义。

利用二氧化钛薄膜光吸收及表面钝化特性, 在硅晶圆基底表面制备石墨烯/二氧化钛异质结场效应管光电探测器, 并研究其光电响应特性.结果表明, 二氧化钛钝化后的探测器可以有效抑制沟道表面的气体小分子吸附, 降低器件的暗电流漂移; 同时, 探测器利用石墨烯的电荷敏感和复合薄膜的光谱吸收特性, 显著提高了石墨烯场效应管的响应度.紫外波段, 顶层二氧化钛吸光产生的光生电子将注入到石墨烯沟道中, 对石墨烯沟道产生n型掺杂, 器件最大响应度可达3.5×105 A/W.在可见光波段, 因为二氧化钛层与石墨烯薄膜间存在杂质能级, 界面间的电荷转移使沟道载流子寿命显著提高.相对于传统的二氧化钛阵列探测器, 该探测器在响应波段与响应度性能上都具有明显优势.

针对脉冲星导航对软X射线探测的实际要求, 研究分析了一种基于石墨烯电场效应的软X射线探测器的性能。通过理论计算, 并利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件, 给出了探测器时间分辨率和能量分辨率的估值公式。在5.9keV软X射线入射硅吸收层的情况下, 时间分辨率的理论值可达7.2ns, 能量分辨率的理论值约为90eV(1.5%)。结果表明, 该探测器能够初步满足脉冲星软X射线的探测需求。

提出了一种基于石墨烯纳米条带阵列的光电探测器(GNR-PD)结构, 讨论了器件的解析模型。基于二维泊松方程, 在弱非局域近似条件下建立了GNR-PD的器件模型, 推导了其I-V特性和光响应特性。结果表明, GNR-PD具有极高量子效率和光电增益, 可以获得高达150 A/W以上的光响应度。