Ge/Si雪崩光电二极管（APD）被广泛应用于近红外探测领域，但由于Ge和Si之间存在4.2%的晶格失配，故难以获得高性能的Ge/Si APD。提出在Ge/Si键合界面处引入多晶硅（poly-Si）键合中间层，弱化Ge/Si失配晶格对APD器件性能的影响。poly-Si引入后键合界面电场发生变化，导致APD内部的电场重新分布，极大地影响了器件性能。因此，重点对Ge吸收层和Si倍增层的掺杂浓度进行调控，探究了掺杂浓度对Ge/Si APD电场、复合率、载流子浓度、碰撞电离等性能的影响，最终设计出高性能键合Ge/Si APD。本工作将为低噪声、高增益Ge/Si APD的研究提供理论指导。

目前，在近红外波段中普遍采用InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD），但这类APD存在增益带宽积小和等效噪声高等问题，而InGaAs/Si APD采用电子、空穴离化系数极低的Si材料作为倍增层，在一定程度解决了上述问题，但其制造过程涉及Si电荷层的离子注入和高温退火激活，该过程工艺复杂、杂质分布不均匀、成本高。因此，本研究采用刻蚀技术在Si倍增层内制备凹槽环，并在凹槽环内填充不同介质对InGaAs层及Si层内的电场进行调控，构建无电荷层InGaAs/Si APD器件模型。结果表明，在凹槽环内填充空气或SiO₂可获得高性能的InGaAs/Si APD。该研究结果可为后续研制工艺简单、性能稳定、低噪声的InGaAs/Si APD提供理论指导。

近年来，Rh纳米结构因在紫外波段有较强的局域表面等离激元共振（LSPR）效应，且材料的物理化学性能稳定，引起了广泛关注。以Rh纳米结构为研究对象，采用时域有限差分法系统地模拟并分析200~400 nm波段圆柱状Rh纳米阵列结构的消光特性和电场强度分布，以此研究Rh纳米结构的局域表面等离激元共振特性。结果表明：Rh纳米结构的LSPR特性与其直径、高度、间距以及周围折射率都有极强的相关性。通过这些参数的变化可以有效调制Rh纳米结构的LSPR共振波段，这对实现Rh纳米结构LSPR效应在紫外吸收、探测等相关领域应用具有重要参考意义。

由于InGaAs与Si之间存在7.7%的晶格失配，因此难以获得制备方式简单、性能良好的InGaAs/Si雪崩光电二极管（APD）。从理论上提出了一种从源头弱化InGaAs/Si晶格失配对APD性能影响的办法，即在InGaAs/Si键合界面引入一层a?Ge或poly?Ge键合层，模拟比较了InGaAs/Si APD性能随键合层厚度的变化情况。研究指出，a?Ge和poly?Ge材料作为键合层对载流子有阻挡或俘获作用，因此器件能够获得超低暗电流，且由于键合层导带势垒对载流子的阻挡作用，APD雪崩之后出现了光暗电流间隙，可以在较小暗电流情况下获得大的光电流。当a?Ge厚度为0.5 nm时，APD雪崩击穿前增益可达最大值451.3，而当poly?Ge厚度为0.5 nm时，雪崩击穿前增益仅为7.9。这种差异是由于poly?Ge键合层处价带出现了势阱，载流子浓度下降。该工作为超低噪声和高增益InGaAs/Si APD的研制提供了理论指导。

铟锡氧化物（ITO）作为一种高掺杂的半导体材料，其材料介电常数零点波长位于近红外波段，且其在近红外波段的吸收损耗较小，因此ITO可以成为近红外波段理想的局域表面等离激元共振效应（LSPR）材料。采用时域有限差分法模拟长方体状ITO纳米棒阵列的LSPR效应，通过调整ITO纳米棒的载流子浓度、尺寸、间距以及衬底折射率实现其红外波段LSPR共振峰的有效调节。这对于扩宽ITO纳米结构在红外波段LSPR效应的应用具有重要的研究意义。

本文采用以蒙特卡罗方法为基础的SRIM软件模拟He离子注入对Ge中缺陷行为的影响，为高质量GOI(绝缘体上Ge)材料的制备提供理论指导。本文主要模拟了He离子入射角度、能量以及注入剂量对Ge材料损伤程度和溅射产额等的影响。研究表明：入射角度较小时，拖尾效应不明显，有利于避免沟道效应，同时缺陷空位数(DPA)也处于较低水平；能量增大导致离子射程增大，溅射产额减小，离表面越近的Ge中DPA变少，可以实现低DPA GOI材料的制备；离子注入剂量增大导致损伤区域增大且集中，然而更多的He离子聚集在射程附近，能够很好地降低GOI材料的剥离温度。

为了实现高效的微光探测以及满足量子通信的需求, 需要研发制备具有高增益、低噪声和高带宽的高性能红外探测器, 基于硅衬底材料的锗硅雪崩探测器(Avalanche Photodiode,APD)被认为是有希望实现近红外通信波段高效弱光探测的探测器件。本工作设计研究了一种横向收集结构的锗硅APD, 并对其结构参数对电场分布的影响进行了仿真模拟。发现该结构中硅倍增层的掺杂浓度、尺寸等对器件电场分布具有很重要的影响, 并且利用能带理论对其进行了解释说明。倍增层掺杂浓度提高后, 增强的结效应导致该器件中出现了有趣的双结结构, 横向的n+-n-结与纵向的p+-i-p--n-结共同作用于电场分布, 并且实现了纵向雪崩与横向载流子收集。在-30 dBm 1 310 nm光源正入射下, 新设计的横向吸收结构APD经过优化带宽可以达到20 GHz; 线性响应度07 A/W; 由于采用了键合方法, 其暗电流可以下降至10-12 A。基本满足近红外通信波段弱光探测的高速、低暗电流、探测能力强等要求。