相比于硅, SiC材料因具有宽禁带、高导热率、高击穿电压、高电子饱和漂移速率等优点而在耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件中得到了广泛应用。传统的引线键合是功率器件最常用的互连形式之一。然而, 引线键合固有的寄生电感和散热问题严重限制了SiC功率器件的性能。文章首先介绍了硅功率器件的低寄生电感和高效冷却互连技术, 然后对SiC功率器件互连技术的研究进行了综述。最后, 总结了SiC功率器件互连技术面临的挑战。

为实现单模光纤与锗硅材料器件的垂直耦合并提高耦合效率，设计了一种锗硅光栅耦合器。通过在硅衬底上增加金属反射层来提高光栅的耦合效率，并利用时域有限差分法仿真软件对锗硅光栅的刻蚀深度、刻蚀槽宽和光栅周期等结构进行了优化。然后，分析了有无金属反射层时的功率和电场分布情况，计算了光栅耦合效率。仿真结果表明，在最佳工作波长1466 nm处，有金属反射层均匀光栅得到的光栅最大耦合效率为-1.34 dB，相比无金属反射层光栅，最大耦合效率提高了9.4 dB，并且光在波导中的定向性得到了明显的改善。另外，为进一步提高耦合效率，在均匀光栅的基础上仿真设计了两步变迹光栅，相比均匀光栅最大耦合效率提高了0.55 dB。同时，对耦合光栅中的金属层厚度、锗硅材料折射率和光栅尺寸三个方面行了工艺容差分析，结果表明，所设计的耦合光栅对工艺偏差具有较高的容忍度。最后，制作了锗硅耦合光栅器件，测试结果表明，在工作波长1465 nm处，获得了-2.7 dB的最大耦合效率。

为准确获得半导体硅材料在激光加工过程中的温度特性变化规律, 开展了980 nm激光辐照硅材料实验研究。利用接触式和红外非接触式方法获得了硅材料特性曲线, 分析了在激光辐照下的特性变化规律。结果表明, 激光照射材料时红外测温结果不只与材料的温度相关, 还与入射激光波长、强度、时间等多个因素相关, 传统非接触式红外测温方式将无法准确表征激光辐照硅材料的实时温度变化, 需采取新的标定方法。该研究对激光加工中的非接触式测温设备的参数标定具有重要意义。

利用分子动力学模型模拟出单个脉冲作用后的热传导过程, 并得到了在下个脉冲辐照前硅材料表面的温度变化情况, 深入探究了非辐射复合及表面浮雕结构对硅表面温度的影响, 并根据分子动力学方程数值模拟了多脉冲飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应, 分析了电子与晶格的瞬态热平衡和硅表面最大温度随俄歇复合的变化。针对硅材料加工领域中高频多脉冲持续扫描硅表面的情况, 建立了宏观加热机制, 以减轻加工过程中的热累积效应。当采用较高重频脉冲时, 宏观热模型计算结果表明多脉冲扫描硅表面时, 温度的热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关, 也与扫描速度有关。实验中运用通量为1～2 J/cm2、重频为10 Hz～1 kHz的飞秒激光光源烧蚀硅靶, 发现低频脉冲下表面熔融、氧化等现象不利于产生光滑孔状形貌。

研究了光斑重叠率对飞秒激光硅材料表面着色的影响。实验结果表明：飞秒激光在硅材料表面着色是由于在其表面诱导出了周期纳米条纹结构；在飞秒激光功率一定的情况下，较高和较低的光斑重叠率都不能实现着色；在选定激光功率范围内，光斑重叠率越大，呈现的颜色越丰富，着色效率越高。另外反射率的测量结果表明着色后样品在可见光范围内反射率下降了50%左右。得到了飞秒激光硅材料表面着色的参数窗口，为飞秒激光半导体着色的推广提供了技术参考。

为了在硅中掺入过饱和的过渡金属杂质, 采用自行设计的线形大功率Nd∶YAG激光辐照表面溅射钛的硅片, 对辐照后样品进行了俄歇电子能谱测试, 利用2维热力学模型, 对连续激光扫描的过程进行了热力学模拟。结果表明, 硅中的钛掺杂浓度远高于钛在硅中的固溶度, 钛的最高浓度在表面下方一定距离处; 硅片中的最高温度并不在硅的表面, 温度分布导致了钛的分布不在表面; 模拟结果与实验结果吻合得较好。线形连续激光能够通过对材料表面扫描辐照的方式进行加工, 实现过饱和掺杂。

激光加工硅材料过程中产生的热效应现象对产品良率有不良影响。为了降低热效应现象的影响, 对激光辐照硅材料表面时硅材料的温度升高与分布情况进行了研究。使用光纤连续激光器作为光源辐照硅材料表面, 记录了硅材料在不同激光功率密度和照射时间情况下的温度升高与分布情况, 得到了实验数据。并根据实验条件和参数进行了仿真建模和模拟计算, 得到了激光辐照下硅材料温度分布模型, 该模型仿真数据与实验结果基本吻合, 可通过修改该模型参数进行激光加工进行模拟实验, 为激光加工时的参数选择提供了实验依据。

从经典的极化理论出发, 分析了直流电场、低频调制电场和光波电场共同存在时硅材料折射率的变化, 从理论上揭示了场致线性电光效应的物理实质。以近本征硅材料为样品, 采用金属-绝缘体-半导体样品结构, 搭建了由塞纳蒙(Senarmont)补偿器改进成的横向电光调制系统。在硅材料空间电荷区内观测到显著的线性电光调制效应, 系统的半波电压小于170 V, 从实验上直接证实了硅材料中内建电场诱导的场致线性电光效应的存在。此外还观测到由克尔效应引起的二次电光调制信号, 以及由场致光整流效应引起的、随线偏振光的方位角的二倍余弦变化的电信号。实验结果与经典极化理论的预期完全一致, 也间接证实了硅材料中场致线性电光效应的存在。

提出了一种新的等效折射率方法，可以将光波导的两维折射率分布精确等效成一维折射率分布。从波动方程出发，通过严格的数学推导，得到了一维等效折射率分布的表达式。该等效折射率分布由二维光波导的模场分布和折射率分布决定。在此等效过程中，几乎无任何近似，因此具有比传统等效折射率方法(EIM)更高的精度，而且不受波导截止条件的限制，并适用于任意的折射率分布结构。以SOI(silicon-on-insulator)脊型光波导为例，给出新方法的一个具体等效实施过程，比较了新方法与传统等效折射率方法计算得到的等效模场分布及等效折射率，结果显示本文方法的有更高的计算精度。最后，文中给出了一个利用这种等效方法计算弯曲波导损耗的例子。新方法可以使对三维结构(截面为任意折射率分布)的模拟简化成二维模拟。

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1.06 μm、能量15 mJ、光斑直径2 mm、脉冲半峰全宽约10 ns和入射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤阈值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅材料表面波纹的产生与声波在材料中的传播速度有关的条件下,由声波传播速度和激光辐照硅材料的脉冲宽度较好地解释了材料表面形成条纹的宽度,并认为在形成表面波纹的过程中,热应力起主要作用。