随着人类社会进入21世纪,社会的发展和科学技术的进步使人类对信息的需求越来越多,用光子作为信息的载体,采用光通讯将是下一代通讯的解决方案。完整的硅基光电单片集成需要实现光源,光波导,光调制器,光探测器,低成本的组装技术和智能系统。目前,除了光源,其他的部分都取得了突破。硅基的光源是实现硅基光电集成亟待解决的最后一个问题。铒离子(Er3+)内层4f电子的发光波长位于1.54μm,在光通讯和光互联方面的应用引起了人们很大的兴趣,如何获得高效的掺Er发光材料以及器件,以及Er在发光过程中和基质材料的作用和能量转移的物理过程,都是研究的重点。基于上述的研究背景,本文围绕着制作Si基掺铒高效发光材料以及器件为目标,研究了掺Er氧化铪(HfO2)以及其他氧化物和掺Er硅/氧化铝(Si/Al2O3)多层结构的发光特性和发光机制。本文主要内容如下：　　 ⑴利用脉冲激光(Pulsed Laser Deposition)方法和离子注入技术制作了掺Er氧化铪薄膜,室温下得到了波长为1535nm的Er3+特征发光峰以及位于1490nm和1564nm的stark分裂峰。研究了退火温度对发光强度的影响,发现当单斜和立方晶相共存时有利于Er的发光,系统研究了Er在HfO2薄膜中的发光机制。光致荧光激发谱(PLE)测量显示,除了对应于几个直接跃迁的发光峰外,样品在整个激发波长范围内,特别是在Er3+无法直接吸收激发能量产生辐射跃迁的激发波段都呈现出连续的发光现象,并且激发波长越短也就是激发能量越强发光强度越大。这说明该主要的发光过程是一个间接激发的过程。我们提出氧空位作为Er发光的感光剂的发光机制。有效改善Er离子本身吸收截面小所导致的发光强度弱的问题。　　 ⑵通过PLE谱还证明感光剂除了氧空位外还有其他感光剂的存在,XPS结果显示薄膜中共存有Hf单质,改变测量温度研究未掺Er的薄膜的光致发光中发现了来自于Hf单质的发光,它的发光和Er的原子能级形成共振,所以我们提出了Hf单质作为Er发光的感光剂作用,实现了发光的宽谱激发。在阴极射线荧光(CL)中我们得到了来自HfO2薄膜的氧空位的发光,以及Er各个能级的跃迁发光,对比PL谱,提出了在这两种激发模式下的不同机制。另外还比较了铒在其他high-k介质材料中掺铒的发光情况。　　 ⑶用PLD的方法原位生长了掺Er:Si/Al2O320个周期的多层结构薄膜,制作Si层厚度为2,3和6 nm的三个系列样品,得到了增强了约2个数量级的强发光,在这个体系中以纳米Si为感光剂的Er3+间接激发占主导。结合拉曼那散射谱(Raman scattering)和X射线衍射(X-ray Diffraction)和高分辨透射电镜(HRTEM)研究Si的尺寸大小以及结晶状态对发光强度的影响,得到了非晶和结晶的纳米Si(nc-Si)共存时有利于Er的发光,同时得到了当纳米晶Si尺寸小以及Er和ncSi作用距离小等优化条件下强发光的结果。　　 ⑷通过测量瞬态荧光的上升谱和衰减谱研究了能量转移过程和发光环境的非辐射过程。在上升谱中发现荧光先有一个慢的上升过程,在约1微秒左右强度上升30％-40％,然后有一个快的上升过程测量精度以内(ns量级)上升至100％。我们提出了一个ncSi吸收光源产生激子然后直接传给附近的Er3+以及通过桥键传给Er3+的两个能量转移激发途径,在测量吸收截面时那一步证明了两种激发途径的存在。在衰减谱中发现,当nc-Si尺寸大时有一个快的衰减过程和慢衰减过程,其中快的衰减过程对应于类体Si的衰减过程。　　 ⑸制作了基于以上薄膜的MIS结构电致发光器件,在低温下得到了Er的发光,并提出了改进方案。