随着摩尔定律走向失效,用于连接不同微电子器件的金属导线,成为制约硅基微电子器件进一步提升信号传输速率的主要因素。金属导线在金属-金属界面的本征阻抗和接触电阻导致了信号传输的延迟,完全解决这个问题需要发展光电子器件,并在不同光电子器件之间实现光学连接。由于硅是间接带隙半导体,发光效率很低,而实现全光学连接需要有高效的硅基光源,因此集成光学器件的发展缓慢。研究发现将铒离子引入硅基材料中是实现硅基光源的重要途径。由于铒离子发射出光子的波长为1.54μm,处在石英光纤的最小吸收损耗窗口上,对光纤通讯有很重要的意义,这使得硅基掺铒材料有了更多的应用场景。本文着重于对掺铒氧化锌薄膜的红外荧光效率进行研究,围绕注入硅离子对掺铒氧化锌薄膜物理和光学特性的影响、多层结构对掺铒氧化锌薄膜荧光的影响以及硅纳米团簇和铒离子之间的能量传递机制等内容进行了一系列实验研究和分析,并取得了以下结果:1.通过磁控溅射技术生长了掺铒氧化锌薄膜,利用离子注入技术将不同剂量的硅离子掺杂到薄膜当中,并在氮气环境中对注入样品进行了不同温度的退火处理。实验发现,经过高温退火的薄膜并没有出现荧光淬灭的现象。在薄膜内部出现了新的硅酸饵结构,这种结构使Er3+离子在高温退火过程中保持了光学活性。另外,氧化锌在高温退火之后结晶性变差,晶向也发生了改变,对于Er3+离子的发光产生了影响。2.利用脉冲激光沉积技术生长了不同厚度的掺铒氧化锌薄膜,通过离子注入技术实现了不同剂量硅离子的掺杂,并在O2或N2环境中对样品进行退火处理。实验发现当退火温度达到1100℃之后,Er3+离子荧光信号有较大的增强,同时薄膜内也观察到了硅纳米团簇,分析表明硅纳米团簇和Er3+离子之间的能量传递是荧光增强的主要原因。实验发现近红外波段的两个典型荧光峰分别来自Si(1.16μm)和Er(1.54μm),其中衬底Si扩散并在SiO2/Si界面处形成的区域位错,界面处的应力场作用于区域位错中的Si,使电子和空穴突破禁带的限制,在泵浦光的激发下发出1.16μm的光子。由于衬底Si的扩散对于Er3+离子的发光是抑制作用,所以1.16μm和1.54μm荧光信号是一种竞争性关系。不同的退火温度对应的Er3+离子荧光信号有较大差异,主要是受高温退火导致的Er3+离子光学失活和Si纳米团簇能量传递效率的影响。3.通过磁控溅射方法生长了厚度约为97nm的掺铒氧化锌薄膜,并通过PECVD方法在掺铒氧化锌薄膜上层生长了一层SiO2薄膜,实现了一种三明治夹层结构。实验发现经过高温退火后,附加的二氧化硅层在不影响铒荧光的同时对氧化锌层起到了保护作用。另外,存在一个阈值温度,只有当退火温度超过阈值温度时,薄膜中的荧光增强机制才开始建立。通过透射电镜实验发现薄膜的荧光增强主要来自于薄膜内3-5nm的纳米硅团簇。由于掺铒氧化锌薄膜的厚度太薄,Er3+离子的数量不足,1.54μm的荧光无法得到进一步的提升。