雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)是一种具有内部增益、能将探测到的光电流进行放大的有源器件，这种放大作用可以增加探测器的探测灵敏度。APD具有探测极微弱光信号的能力，当APD的工作电压高于其雪崩电压时，就可以获得单光子量级的灵敏度。使用APD探测单光子量级的信号已经有了很长时间的研究。单光子探测器有着非常广泛的应用，其中包括量子密钥通信、三维成像技术、大气监控以及宇宙背景辐射探测等。通常使用光电倍增管(photomultiplier，PMT)探测微弱信号，但是由于PMT工作电压高、体积大，以及不利于集成等缺点限制了它的应用。通过使用不同的制备材料，APD的探测波长范围可以覆盖紫外到红外波段。光纤通信系统中有两个引人注意的波长区域，即0.8～0.9μm波段和1.0～1.6μm波段。在0.8～0.9μm波段，硅APD由于具有优越的性能、高可靠性和低廉的价格而占据领导地位。本论文以研发高增益硅APD为目标，设计出了一种新型台面结构的APD器件。对于器件结构的仿真模拟、工艺制备以及增透膜设计方面进行了深入研究。通过仿真模拟设计出了低雪崩击穿电压、高增益的硅APD物理结构。本文首次将蚁群算法应用于全角度宽带增透膜设计中，并对于APD器件的制备测试进行了初步探索。本论文的主要研究工作有以下几个方面的内容：　　1.新型硅APD结构优化设计　　通过利用ISE TCAD模拟仿真软件，应用流体动力学传输模型和热力学模型，考虑到雪崩倍增、复合机制等物理过程，对于APD器件的能带结构、电学特性进行了仿真模拟。同时研究了器件的物理结构对于其电学特性的影响。在仿真中通过加光照，研究了APD增益与器件尺寸间存在的关系，结果发现随着器件台阶尺寸的减小，器件增益成增加趋势。理论上设计出了击穿电压为9.3 V，雪崩增益可达到106以上的硅APD器件结构。　　2.设计硅APD器件制备流程及制备工艺研究　　根据本文中设计的硅APD器件结构，结合传统的硅工艺技术，设计了器件的工艺制备流程。针对工艺中最关键的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺，深入研究分析了Cl2/Ar混合气体对于硅材料的刻蚀规律及其内在机制，研究发现离子辅助刻蚀机制在Cl2/Ar混合气体刻蚀材料过程中起着关键的作用，刻蚀速率主要依赖于RF功率，ICP功率的大小严重影响着器件的侧壁形貌。同时，对于化学机械抛光(CMP)工艺进行了初步的研究。　　3.应用蚁群算法对增透膜进行优化设计　　针对蚁群优化算法的特点，对增透膜设计问题进行数学建模，并将蚁群算法应用于宽带垂直入射情况下的增透膜设计中。针对SiO2和SiN交替结构的多层膜系，设计出的6层膜平均反射率比SiN单层膜降低了3.64％。通过进一步优化改进模型，建立了全角度宽带增透膜设计的蚁群优化方法，并对400～750 nm波长范围，40°～80°入射角度范围条件下，设计了3层增透膜。计算结果发现蚁群算法设计出的3层增透膜平均反射率仅为1.68％，比已报道的遗传算法和模拟退火算法设计结果都要低，证明了蚁群算法在增透膜设计问题中的有效性和优越性。　　4.硅APD器件的制备和测试分析　　在实验上初次制备了台阶边长尺寸分别为2μm、10μm、40μm、80μm的APD器件。通过测试分析发现，随着器件台阶边长尺寸的减小，器件的暗电流呈现减小趋势，与仿真结果一致。同时，器件性能并没有达到预期的效果，分析了器件工艺中存在的问题，为下一步工作打下基础。