本文针对黑硅PIN四象限探测器的研制,对器件结构进行了优化设计。采用飞秒激光烧蚀和MEMS工艺制备两类黑硅材料,研究其表面形貌和光谱吸收特性,进而计算得到等效折射率和消光系数,进而对Si-PIN四象限探测器进行了仿真研究,分析和比较了两种探测器的伏安特性、暗电流、光谱响应、串扰以及响应时间等性能参数。最后,基于标准Si-PIN四象限探测器器件的制作流程,进行了黑硅Si-PIN四象限探测器原理性器件试制。取得的主要研究结论如下:(1)四象限探测器的串扰主要受载流子的扩散长度、载流子寿命、硅材料的吸收系数、隔离槽宽度、光敏面边长以及载流子的漂移速度等因素的影响;隔离槽宽度和光敏面边长对象限串扰的大小起决定性作用,象限串扰随着隔离槽宽度和光敏面边长的增加而呈指数减小。(2)飞秒激光制备的黑硅材料在不同激光功率、激光扫描速度以及气体氛围参数下,其性质也不尽相同。当激光功率为0.2 w而扫描速度为1 mm/s时,制备得到的黑硅材料尖锥结构完整、密度较大、分布较为均匀,同时光谱吸收较高可达到95%以上。在空气和氮气中制备的黑硅材料结构不够完整、密度较小;而在SF6气体中制备的黑硅材料形貌和分布等优于在空气和氮气中制备的黑硅材料,其近红外光谱吸收也明显得到改善。(3)MEMS微结构黑硅材料的性能与其表面微结构有很大关系,当微结构的尺寸达到纳米量级时,微结构层会形成一个共振腔,对1060 nm波长入射光有明显的减反作用;而当微结构的尺寸达到微米量级时,其对1060 nm波长入射光的减反作用有所削弱;通过离子注入,MEMS微结构黑硅材料的光谱吸收会得到不同程度的提高。(4)基于普通Si-PIN四象限探测器和黑硅Si-PIN四象限探测器的仿真研究表明,黑硅材料的引入能明显提高硅基探测器的响应波长范围和光谱响应度,在近红外波段的作用更为明显;但是,黑硅Si-PIN四象限探测器的暗电流有所增加,象限间串扰有所增加。(5)基于飞秒激光烧蚀和MEMS两种方法制备的黑硅材料,进行了黑硅Si-PIN四象限探测器原理性器件试制,到目前为止,已完成N面黑硅材料加工,正在进行后续工艺加工。