随着微电子技术进入到了21世纪的发展时期,集成电路的发展向着小而精的方向不断前进,致使器件的特征尺寸几乎缩小到极限,处于“后摩尔定律”时代的集成电路性能提升受到严重制约,硅基光电子技术可突破这一瓶颈从而被寄予了厚望。不同于一般集成电路,搭载有硅发光二极管（Light-emitting Diode,LED）的光电子集成电路不仅在片上可完成电信号的传导,还可以光的方式完成信息的传递,大幅缓解了高集成度环境下的电信号串扰等问题。要充分发挥光信号直观,快速的特点,势必要大力发展新型的光电子器件。硅雪崩发光二极管（Silicon Avalanche-mode LED,Si-AMLED）表现出与传统IC制造工艺兼容性好,成本低等诸多优点,可作为片上硅LED集成技术中的基本发光单元。但如何突破硅间接带隙的限制从而提高硅光源的发光效率,一直是设计硅LED的热点和难点。除了需要高效可靠的硅光源之外,光波在片上系统传输过程的损耗也需重点关注。为了更好适应全硅（All-Silicon）光电子集成的工艺要求,实现可单片集成的片上光互连系统,波导的材料需要根据CMOS工艺就地取材并进行合理设计,同时也要保障光波信号在整个系统中的低损耗传输。本文主要针对片上硅LED集成技术,从硅基发光器件的发光原理、性能指标以及设计结构的角度出发,对一种利用硅PN结发生雪崩倍增效应的光源展开研究,并基于现有的CMOS工艺,提出了一款三端控制的类MOS结构硅雪崩LED器件。该器件中的反偏PN结由P+型有源区和N阱构成,发光窗口靠近栅端两侧。分析了器件内部的载流子和电场分布情况,结果表明正电压的栅端调制有利于发光区域由内部向表面集中。建立的小信号模型表明器件的调制频率可达到GHz的水平。完成流片后的硅雪崩LED经测试表明,开启电压在-6 V左右,波长范围覆盖400 nm至1100 nm,在引入第三端的电极控制后可使得开启电压降低至-1.8 V,同时提高了整体器件的发光强度,功率转换效率高达5.98×10-7。考虑到与CMOS工艺兼容的氮化硅在600 nm以上的可见光频段具有较好的光学透明度,提出了基于氮化硅的硅光波导耦合设计,数据表明波导内光能量损失较低,并对于横向和纵向波导耦合方式进行了初步探索,分析了光波损耗成因并简要提出了改善的方案。