硅基光电子技术有着高速、低成本、低损耗和高集成度的优势,在国家战略和市场需求的带动下,面临着大规模产业化和市场化的历史机遇,是当今时代最具发展前景的技术领域之一。但是,对于集成在波长超过1100nm的光子学电路中的光电探测器,硅材料受到其禁带宽度的限制,被认为不是合适的材料,这大大地制约了硅基光电集成的发展。飞秒激光非平衡掺杂硅材料可以显著改善硅晶体在次带隙波段的光吸收以及光电响应性能,在材料科学领域受到了越来越广泛的关注。但目前基于硅材料制备的光电探测器在近红外波段的响应效率还偏低,远远达不到商用器件的要求,需要进一步地研究和探讨。本文围绕提高非平衡掺杂的硅基光电探测器响应效率这一目标,系统地研究了银原子非平衡掺杂硅材料的制备、基本性质以及在光电探测器上的应用,得到了以下主要创新结果:(1)成功制备了银离子非平衡掺杂硅样品,并研究了其光吸收特性以及引入的杂质缺陷态的性质。通过离子注入以及飞秒激光辐照的工艺,制备了峰值浓度超过1020cm-3的银非平衡掺杂硅样品;在波长300-1800nm范围内对光的吸收率均显著提高,这一方面是由于表面织构化起到了减反的效果,另一方面是由于非平衡掺杂形成了杂质能级(Ec-0.285 eV),为次带隙光子的吸收提供了台阶;但是这种扩展的次带隙吸收会发生退火失活的现象,我们的实验结果证实:这一衰减行为并不是由于银杂质发生长程扩散引起的。(2)制备出针对可见光具有高响应增益的银非平衡掺杂硅基光电探测器,并且在暗场下具有明显的二极管整流特性,这是首次在非硫系元素非平衡掺杂硅的体系中发现这种光电响应增益的现象,在-3 V的反向偏压下探测器的光电响应度达到了 8.56 AW-1。实验发现,器件的响应增益系数与银的非平衡掺杂引入的电子俘获陷阱的浓度成正相关关系。基于实验结果,我们提出了电子陷阱中心辅助外电路电荷隧穿的光电响应的新增益机制。除了高响应度,研制的器件还具有优异的瞬态响应性能、探测灵敏度和线性动态范围。(3)研究了基于高能量通量的飞秒激光掺杂的银非平衡掺杂硅基光电探测器的近红外响应性能。实验在非平衡掺杂硅中引入高密度的表面缺陷,利用强表面复合作用使短波激发的载流子发生淬灭,因而探测器表现出短波截止近红外响应的特性;在近红外波段,由于杂质能级辅助的次带隙光激发以及电子陷阱中心诱导的光电响应增益,器件的响应波长可以一直扩展到1600nm,在-3 V偏压下对波长1310 nm和1550 nm的响应度分别达到504 mA W-1和65 mA W-1,这是目前在非平衡掺杂硅基光电探测器中报道过的最高的红外响应水平。(4)将石墨烯用作电子传输层与银非平衡掺杂硅复合制备了近红外响应的杂化光电导探测器,并研究了其响应性能。研究指出,石墨烯可以改善载流子在电极间的横向传输能力,在0.30 V的测试偏压下,器件对次带隙波长1310nm和1550 nm的外量子效率分别达到了 97.26%和7.37%;通过嵌入铂纳米颗粒(Pt NPs)引入局域等离子共振效应(LSPR)和散射效应,可以进一步增强非平衡掺杂硅的次带隙光吸收能力和光电响应能力。