随着量子通信和激光雷达等技术的迅速发展,高集成、低成本的极弱红外光探测技术面临着更大的挑战。目前硅基单光子雪崩二极管作为极弱光探测系统的核心器件,凭借着噪声低、工艺成熟、制造成本低、与CMOS电路兼容以及具有较高的集成度等特点,广泛的应用于极弱光探测领域。但近红外探测效率低,严重的制约了硅基单光子雪崩二极管的应用范围。如何提高硅基单光子雪崩二极管红外敏感探测的光子探测效率,并使其探测范围向长波移动,已成为一个国际研究热点问题。本文围绕红外增强型硅基单光子雪崩二极管的设计与仿真开展工作。首先,基于传统硅基单光子雪崩二极管的机理研究,设计了针对近红外波段具有较高探测效率的硅基单光子雪崩二极管新结构,即双埋层结构。并使用Silvaco TCAD软件对红外增强的硅基单光子雪崩二极管进行物理仿真建模,从中提取I-V特性、电场分布、雪崩概率等关键参数;在此基础上建立量子效率和基于死区效应的光子探测效率、暗计数率等主要性能参数的数值模型。仿真结果显示,在870 nm波长条件下,双埋层结构单光子雪崩二极管的光子探测效率可以达到11.9%,其近红外波段探测效率相比于传统硅基单光子雪崩二极管有所提升,同时模型的分析结果对红外增强型硅基单光子雪崩二极管的结构设计和优化具有一定的指导作用。为提高双埋层结构单光子雪崩二极管的近红外探测效率,在仿真模型和数值模型分析结果的基础上,针对具有双埋层结构的单光子雪崩二极管开展优化工作。最优结构参数分别为耗尽区厚度T_d=5μm、P型埋层直径R_pb=14μm和P型埋层掺杂浓度N_pb=1.9×10¹⁷/cm³。优化结果显示,在870 nm波长条件下,双埋层结构单光子雪崩二极管的探测效率达到了18.6%,其近红外波段探测效率有较大提升。为进一步提高硅基单光子雪崩二极管的近红外探测效率并使其探测范围向长波移动,本文还引入了黑硅材料开展了单光子雪崩二极管的设计。通过研究黑硅的表面形貌、光谱吸收特性和实验测试结果,得到了其等效折射率和消光系数,并在此基础上建立了黑硅的光学仿真模型;同时通过比较基于黑硅的PIN光电探测器的实验数据和仿真结果对黑硅仿真模型的可行性进行了验证;在此基础上开展了基于黑硅的单光子雪崩二极管的设计和仿真研究,仿真结果表明,黑硅材料的引入能明显提高硅基雪崩光电二极管的近红外探测效率,并使其探测范围向长波方向扩展。