单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来，国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术，充分放大光子信号，以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs）具有更高的量子效率，可替代传统的可见光光子计数系统，但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件（HgCdTe APD）的过剩噪声因子接近1，几乎无过剩噪声；相对于盖革模式的雪崩器件，没有死时间和后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神（Raytheon）公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状，分析了吸收倍增分离型（Separation of Absorption and Magnification, SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP）三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy, MBE）方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，增益可达350，光子探测效率达95%以上，工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延（Liquid Phase Epitaxy, LPE）碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件，在0.4~4.3 μm的可见光到中红外波段都能响应，最高增益可达6100，光子探测效率大于70%，可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件，短波器件增益达2 000，中波最高增益可达13000，内光子探测效率达90%，实现了80 Mbps的自由空间通信，在300 K和增益为1时，带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array（SAPHIRA），器件增益可达66@14.5 V，单光子探测率达90%以上，中心距为24 μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司，研发出了C-RED ONE相机，相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器（Michigan Infrared Combiner, MIRC），将MIRC的系统噪声降低了10~30倍，大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚，主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所，受限于芯片制备技术和电路技术，目前没有实现光子计数方面的应用，但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTe APD器件，器件增益可达1000以上，增益100以内，增益归一化暗电流密度低于1×10⁻⁷ A/cm²，增益400以内的过剩噪声因子小于1.5，增益133时的噪声等效光子数为12，进行了短积分快速成像演示；单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件，单元器件增益可达1000以上；在偏压8.5 V以内，焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10⁻¹⁴~ 1.6×10⁻¹³ A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件，技术路径与法国基本相同。因而，我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式，持续推进HgCdTe APD器件的研究，以早日达到国际先进水平，实现单光子探测和光子计数应用。

本文开展了InAs / GaSb II类超晶格长波红外探测器的表面处理研究。通过对不同处理工艺形成台面器件的暗电流分析，发现N₂O等离子处理结合快速热退火（RTA）的优化工艺能够显著改善长波器件电学性能。对于50%截止波长12.3μm的长波器件，在液氮温度，-0.05V偏置下，表面处理后暗电流密度从5.88 ×10^-1 A/cm²降低至4.09 ×10^-2 A/cm²，零偏下表面电阻率从17.7 Ωcm提高至284.4 Ωcm，有效降低侧壁漏电流。但是该表面处理后的器件在大反偏压下仍有较大的侧壁漏电，这可能是由于高浓度的表面电荷使得大反偏下侧壁存在较高的隧穿电流。通过栅控结构器件的变栅压实验，验证了长波器件存在纯并联电阻及表面隧穿两种主要漏电机制。最后，对表面处理前后的暗电流进行拟合，处理后器件表面电荷浓度为3.72×10¹¹ cm^-2。

对分子束外延（MBE）生长的原位As掺杂HgCdTe外延材料的热退火造成的As扩散控制进行研究。在较低的退火温度下获得了As扩散长度可控的HgCdTe材料，易于形成符合设计参数的PN结轮廓，为后续新型焦平面器件的研发提供基础。研究发现，在热退火过程中，原位As掺杂HgCdTe的As浓度的大小和纵向分布随着不同的Hg分压而发生改变。并通过理论计算获得了不同Hg分压下的As扩散系数。同时，通过数值模拟对不同As扩散长度的P-on-N器件结构进行了暗电流模拟，验证了As掺杂结深推进工艺的重要性。

对不同钝化层结构的分子束外延（MBE）生长的HgCdTe外延材料的Hg空位浓度控制进行研究。获得了更高Hg空位浓度调控范围的外延材料，为后续新型焦平面器件的研发提供基础。研究发现，在热退火过程中，HgCdTe外延材料的Hg空位浓度的变化随着钝化层结构的不同而发生改变。且这种改变是因为HgCdTe表层的钝化层的存在改变了原始热退火的平衡态过程。同时，通过二次离子质谱（SIMS）测试以及相应的理论拟合进行了验证。

采用分子束外延技术（MBE）制备了碲化镉（CdTe）原位钝化的中波碲镉汞（HgCdTe）材料。原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）测试结果表明，分子束原位外延的CdTe可见cross-hatch，表面粗糙度为1~2 nm，CdTe和HgCdTe界面结合紧密。微波光导测试结果显示，77 K时，与表面处理后非原位CdTe钝化的HgCdTe材料相比，CdTe原位钝化的HgCdTe材料的少子寿命较大。制备了分子束外延CdTe原位钝化的中波HgCdTe光伏器件，和相同材料上的非原位CdTe/ZnS双层钝化制备的器件I-V特性相似。

本文对中波HgCdTe APD进行二维数值模拟，通过与实验结果的对比获得80K下PIN结构的APD器件参数。对不同工作温度下的APD器件暗电流机制进行了研究，发现在高工作温度下，影响暗电流的主要是SRH（小偏压）和雪崩机制（大偏压）。对在高工作温度情况下各层参数的变化引起器件性能的变化进行了研究，对不同层厚度、掺杂浓度对器件性能的影响进行了相应理论计算，并对计算结果进行相应的对比研究，获得了理论上最优化的HgCdTe APD高温器件结构，为后续高工作温度的APD器件的研发提供重要参考。

基于分子束外延（MBE）生长技术获得了高量子效率的InAs/GaSb T2SLs中波红外（MWIR）光电探测器结构材料，表现出了层状结构生长的光滑表面和出色的晶体结构均匀性。此超晶格中波红外探测器的50%截止波长约为5.5 μm，峰值响应率为2.6 A/W，77 K下量子效率超过了80%，与碲镉汞的量子效率相当。在77 K，-50 mV偏压下的暗电流密度为1.8×10^-6 A/cm²，最大电阻面积乘积（RA）（-50 mV偏压）为3.8×10⁵Ω·cm²，峰值探测率达到了6.1×10¹² cm Hz^{1 / 2}/W。

采用刻蚀技术形成台面结构的红外探测器光敏元，其表面漏电流和器件热稳定性与半导体蚀刻表面的特性密切相关。对制备的InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器台面蚀刻区域特性进行了研究报道。通过台面结栅控结构和快速热退火相结合的实验研究，发现热退火处理使得样品在温度80 K，偏置电压-0.05 V下的暗电流密度从2.17×10^-7 A/cm²上升至6.96×10^-5 A/cm²，并且有无退火样品的暗电流随偏置电压变化表现出明显的不同。退火导致光敏元台面侧壁电荷密度上升2.76×10¹² cm^-2，引起了表面漏电流的增加，利用X射线光电子能谱（XPS）发现退火后台面蚀刻区域Sb单质含量增加。

对高温热退火前后分子束外延（MBE）生长的多层P-on-N结构HgCdTe外延材料的界面变化进行研究。研究发现，高温热退火将引起HgCdTe外延材料界面层的改变，从而破坏原生结构。这种改变可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其能带结构和光电流的影响。