激光雷达、深空通信、天文观测、量子信息技术等国家重大战略对红外光子探测器件的灵敏度有越来越高的要求,传统的半导体探测器件在中波红外的信噪比难以满足需求。在中波红外的4.3μm大气窗口处,也是二氧化碳的特征吸收峰,可用于检测二氧化碳,支持国家的碳中和工作。本论文将聚焦于降低探测器的噪声,提升信噪比,寻找理想光电耦合情况下提高给定脉冲光子数量的少光子探测器的探测性能,主要内容如下:1.我们对半导体器件的物理结构参数对暗电流的影响进行系统性的研究。通过数值模型研究了3-5微米的中波红外雪崩PIN台面HgCdTe雪崩二极管在-7 V至0 V范围内施加偏置电压的暗电流特性,分析其反向偏压下的载流子输运机制,针对中心本征层的掺杂浓度、厚度等参数最优化PIN结构,降低APD的暗电流。2.基于连续谱中束缚态（Bound states in the continuums,BIC）原理设计类光栅结构,调整光栅间隙的位置引起对称性破缺,调控反射峰的峰宽。通过在探测器表面集成类光栅结构过滤落在雪崩光电探测器光敏单元上的干扰信号。观察到1500nm附近相互竞争的两支反交叉模式,也进一步探索了临界耦合,建立了相干完美吸收的模型,当光从两个端口入射时,在两个端口中入射光具有特定的入射振幅线性组合,可以在两个端口中实现完全吸收。3.从数值计算二维材料的折射率出发,通过独特的反向设计过程确定了共振腔的结构参数。我们构建了一种泄露通道匹配黑磷折射率的BIC结构,数值上验证了该器件具有提升黑磷吸收率的性能。从大气吸收光谱可以看出,可应用4.3微米附近有二氧化碳的强振转换吸收带,可用于研制探测大气的反射光谱的中波红外高灵敏度器件。