硅作为目前研究最为成熟的半导体材料之一,已广泛应用于集成电路、光电检测、光波导集成、太阳能电池等微电子和光电子领域。硅光电探测器更是未来全硅光电子集成芯片必不可少的一部分。但是晶体硅由于受到禁带宽度的限制,无法对波长大于硅吸收边1100 nm的光产生吸收,从而也限制了单晶硅在红外探测领域的应用。飞秒激光辐照单晶硅获得的硫超掺杂黑硅的出现打破了这一限制,它使硅的吸收边可以延伸至红外区域。如硫超掺杂的黑硅对250 nm～2500nm宽谱波段范围内光的平均吸收率超过90%。但硫超掺杂黑硅层中具有很高的背景自由载流子浓度,由自由载流子引起的吸收对红外光探测不仅没有益处反而会增加黑硅层中红外吸收的复杂性。而且,在制作光电导型光电探测器时高的背景自由载流子浓度还会产生大的电流噪声,降低器件的信噪比。此外,为修复黑硅层晶格损伤、改善晶体质量需要对黑硅进行热退火处理,但硫超掺杂黑硅的红外吸收在退火后会大幅度下降,红外吸收热稳定性差。针对硫超掺杂黑硅存在高浓度背景自由载流子、红外吸收不稳定等问题,本论文以过渡金属钼作为掺杂剂来制备钼超掺杂的黑硅材料。钼可以在硅的禁带中引入深能级,如价带顶0.34 e V的位置引入深施主能级,超掺杂的钼会围绕离散的深能级在硅的禁带中形成中间带,进而产生红外吸收贡献。另外,深能级杂质电离能较高,可以保证钼超掺杂黑硅中背景自由载流子浓度处于较低水平。利用霍尔效应测得钼超掺杂黑硅在室温下的体载流子浓度小于1015 cm-3。本论文首先通过磁控溅射镀膜工艺在单晶硅表面沉积钼金属薄膜,用作黑硅的掺杂剂。然后利用飞秒脉冲激光辐照镀膜硅衬底制备了钼超掺杂的黑硅材料。采用二次离子质谱测量了钼杂质在黑硅层中的浓度分布,其峰值浓度可达1.59×1019 cm-3,为超掺杂。测试钼超掺杂黑硅的紫外-可见-近红外吸收光谱,发现其对250 nm～2500 nm宽谱范围内光的吸收率有大幅度提高,黑硅的吸收率随着激光能量密度的增加而增大,对1310 nm光的吸收率最高可以达到65%。经热退火处理后,样品在红外区的吸收下降幅度较小,例如对激光能量密度为0.71 J/cm~2时加工的黑硅样品在1223 K温度下退火30 min后,样品对1310 nm光的吸收率仅下降8%,证明钼超掺杂黑硅样品的红外吸收热稳定性良好。采用扫描电子显微镜观测黑硅的表面形貌,发现黑硅样品表面存在周期性的微纳结构,且微纳结构的形貌及尺寸随激光能量密度的不同而有所变化。微结构的陷光作用可以减少样品表面对测试波段光的反射,从而增大样品对光的吸收率。根据拉曼光谱测试结果,过高的激光能量密度会在黑硅层中引入高密度的结构缺陷。本论文分别制作了体结构和面结构的黑硅探测器,探究了钼超掺杂黑硅的制作工艺以及器件结构对黑硅光电探测器性能的影响。体结构器件中基于黑硅层与单晶硅衬底形成的异质结工作时器件具有较高的响应度,而基于金属与黑硅层形成的肖特基结工作时器件的响应度则较低。鉴于此,将器件由异面电极结构改为金属-半导体-金属（MSM）横向叉指电极结构,解决了因测试光源无法穿透金电极而导致光生载流子不能被肖特基结形成的空间电荷区有效分离的问题,MSM结构使黑硅探测器的响应度得到显著提升,如在10 V的反向偏压下器件对1310nm光的响应度从0.8 m A/W提高到25.1 m A/W。另外,两种结构器件的性能均依赖于激光能量密度,合适的激光能量密度在保证黑硅红外吸收的同时,尽可能降低掺杂层中的缺陷密度。最后,使用快速退火结合二氧化硅钝化工艺,一方面抑制了钼杂质的扩散,另一方面可以降低钼超掺杂黑硅表面的缺陷密度,减少表面缺陷复合。最终,经优化工艺处理后制备的MSM结构黑硅光电探测器的响应度在-30 V偏压下对1310 nm光的响应度达到495 m A/W。