硅基光子技術(shù)因具有速度快、容量大、成本低、易集成等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。在過去的二十年中,硅基光子產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,越來越多的硅基光子器件被應(yīng)用到光通訊及光互連領(lǐng)域中。硅基光子器件通常工作在通訊光波段,如1310 nm、1550 nm。目前,在各類硅基光子器件中,人們已經(jīng)成功制備出低損耗光波導、高品質(zhì)因數(shù)諧振腔、高速度調(diào)制器以及光泵浦激光器;而阻礙硅基光子技術(shù)發(fā)展的一個重要難題就是高效率硅基光電探測器件的制備。體結(jié)構(gòu)硅基光電探測器發(fā)展已久、工藝成熟。然而,商用的探測器件的工作波長處于1100 nm以內(nèi)。這是因為單晶硅的禁帶寬度為1.12 eV,對波長大于1100 nm的光透明,因此無法在通訊光波段實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。脈沖激光黑硅材料的發(fā)現(xiàn)為這一困境帶來了轉(zhuǎn)折點。大約20年前,人們發(fā)現(xiàn)在六氟化硫氣氛中利用飛秒激光輻照單晶硅表面,可以制備出表面微結(jié)構(gòu)化的黑硅材料。這種材料在0.25μm⁶.0μm波段范圍內(nèi)的吸收率均可達到90%以上。利用脈沖激光黑硅材料制備的體結(jié)構(gòu)光電二極管對1310 nm光的響應(yīng)度可以達到50 mA/W。雖然脈沖激光黑硅應(yīng)用潛力巨大,但在過去的20年中卻發(fā)展緩慢...

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圖1.1脈沖激光輻照后半導體電子與晶格經(jīng)歷的四個物理過程

在過去的半個世紀里，脈沖激光技術(shù)取得了長足發(fā)展。激光器的制造成本逐年降低、操作便利性逐年提高，這為脈沖激光的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。超短脈沖激光主要包括飛秒激光（1fs=10-15s）、皮秒激光（1ps=10-12s）、納秒激光（1ns=10-9s），目前，已經(jīng)朝著阿秒（1a....

圖1.2納秒激光（a）與飛秒激光（b）與物質(zhì)作用過程對比

為不同激光能量密度對應(yīng)的燒蝕速率。由于多種物理過程的競爭，導致燒蝕過程隨激射的增加呈現(xiàn)非線性變化。我們可以使用Kuramoto-Sivashinsky形式的方程來描述響應(yīng)的褶皺過程[19]：式中，為激光燒蝕速率；第二項表示褶皺高度與燒蝕速率間的線性關(guān)系；第三項表示褶皺高度....

圖1.3脈沖激光退火法實現(xiàn)CVD沉積非晶硅表層再晶化

通過皮秒激光輻照，沉積層中的部分非晶硅會轉(zhuǎn)化為多晶硅，如圖1.3所示。在這個過程中，皮秒激光退火使對傳統(tǒng)CVD法進行補足，使得加工過程得到簡化。1.2黑硅材料的研究現(xiàn)狀在本小節(jié)中，我們首先對黑硅材料的概念及制備方法進行簡要介紹，然后著重講解了脈沖激光黑硅的發(fā)展歷程，具體內(nèi)....

圖1.4不同黑硅制備方法的原理示意圖（a）反應(yīng)離子刻蝕法（b）金屬輔助化學刻蝕法（c）電化學刻蝕法（d）脈沖激光燒蝕法

超高的反射率會降低器件效率。如果能將反射的能量利用起來，硅基器件的性能將得到進一步的提升。為了實現(xiàn)這個目的，人們在單晶硅表面蒸鍍減反膜或制備微納結(jié)構(gòu)來降低硅的表面反射率。蒸鍍減反膜的方法只針對特定波長的光才起作用；而制備微納結(jié)構(gòu)則可以在廣譜范圍內(nèi)起到減反射作用，使硅材料的光吸收率....

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