红外辐射是自然界中大量存在的信号与能量,但却无法被人眼感知。而红外探测则是人类认识自然界的极其重要的武器,能扩展人类的视野,探索未知世界。红外探测器技术经过长于百年的发展,从最初的国防军事等领域已经扩张到民用设备方面,对社会生活、生产已经科学研究都发挥着重要的作用。近些年来,半导体材料的光子型红外探测器凭借其高灵敏度和高响应速度在遥感、成像、光通信等诸多领域均有突出贡献。而在1.1μm短波红外波段,尚没有波长限匹配很好的探测器,现有的In Ga As探测器暗电流的抑制仍不完美,而Si基探测器在该波长下响应又很弱。因此,研究能同时兼顾波长扩展和暗电流抑制的新型短波红外探测器就非常有意义。本实验室在过往实验中发现,p-i-n结构中的耗尽区存在着光吸收的增强现象。本文在此结果基础上进一步研究,首先设计制备了数个Ga As基p-i-n结构材料,经过翔实的实验测试和对比,再现了光吸收增强的现象;并且还利用了飞秒瞬态光响应测试,观察到了材料中光生载流子的瞬态输运过程。本文对上述实验结果进行了细致的讨论与分析,为光吸收增强现象提供了充实的理论解释,为后续的红外探测器设计提供了理论基础。除此以外,本实验室还在早期研究中在In Ga As、In Ga N、In As等多种材料体系中发现了p-n结中的局域化光生载流子的高效逃逸现象。根据光吸收增强,结合载流子高效逃逸,本文设计制备出了大应变In Ga As/Ga As带间跃迁量子阱红外探测器,并完成了其原型器件的加工和相关的性能测试。在该结构中,带隙较大的垒层材料作用是有效抑制了器件暗电流,而带隙较小的阱层材料则实现了器件的波长扩展。而上述的光吸收增强和载流子高效逃逸则确保了该设计结构尽管有源区很薄,但也有较好的光电响应能力。为解决高组分InGaAs与GaAs的晶格失配问题,我们进行了分子束外延工艺的优化,确定了最佳生长温度485℃。基于优化后的生长参数,我们在p型Ga As衬底上制备了具有20个周期大应变In Ga As/Ga As带间跃迁量子阱红外探测器,并进一步完成了其1×15元线列器件原型。经过一系列的性能表征和参数测试,在没有后续减反射膜蒸镀和器件封装等工艺的前提下,得到的探测器器件成功将波长扩展到了1070 nm,且暗电流密度在-0.1 V的偏压下抑制在4.2×10-8A/cm2,器件的峰值探测率为8.6×1011 Jones(cm·Hz1/2/W)。利用上述GaAs基新型结构制备了红外探测器器件原型后,为了进一步探索其在实际应用中能力,我们利用以上原理和设计,在具有类似结构的940 nm波段的LED外延晶片上通过工艺加工制备出了能同时完成光发射和光探测的单片集成式的主动光近红外探测系统。经过对该系统的性能表征,表明该探测器能够在5 cm距离内探测出光滑表面的物体,该结果在光接近传感器等应用中具有巨大潜力,同时也验证了我们提出的Ga As基新型探测器的能力。这些实验结果验证了光吸收增强效应和局域化载流子的高效逃逸,对短波红外的光电子探测器的新型结构设计具有指导意义。