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。 基于上述的研究背景，本文结合本小组前面对Si/SiO2多层膜限制性晶化的研究工作，在等离子增强化学气相沉积系统中，制备出a—Si：H/SiO2多层膜，通过热退火等后处理方法，获得尺寸可控的调制于介质SiO2夹层中nc—Si多层结构。在此基础上，对nc—Si/SiO2多层膜的光致发光和电致发光性质进行了细致的观察和深入的分析。首次发现了在退火过程中出现的临界状态的纳米硅结构，并观察到来自临界状态纳米硅的较强的光致发光。在nc—Si/SiO2多层膜电致发光的研究中，采用PIN结构，降低了开启电压，增加了载流子注入效率。通过对nc—Si/SiO2多层膜的氢化处理，进一步的分析了电致发光机制。最后，对于nc—Si/SiO2多层膜中存在的载流子不能有效注入的问题，初步的设计了一种新型的侧面层注入，端面光出射的器件结构。本论文的主要内容如下： 1．在PECVD系统中采用逐层淀积和原位等离子体氧化的方法制备a—Si：H/SiO2多层膜．小角X射线衍射谱表明a—Si：H/SiO2多层膜具有良好的周期调制结构。透射电子显微镜和高分辨电子显微镜直观的显示a-Si：H/SiO2多层膜具有清晰的界面。采用脱氢，快速热退火，准静态炉式退火的热处理，形成nc-Si/SiO2多层膜。拉曼散射谱研究了不同温度的逐步退火过程中，a—Si子层结构的变化，观察到非晶硅子层随退火温度的升高，有序度越来越高，直到出现nc—Si。Raman和HRTEM 测量的结果表明SiO2子层对超薄a—Si层的晶化起限制性作用，最终形成的nc—Si尺寸与原始淀积的a—Si子层厚度一致，符合限制性晶化原理。 2．对nc—Si/SiO2多层膜的光致发光性质进行了详细的研究，在充分晶化的nc—Si/SiO2多层膜中观察到峰位不随nc—Si尺寸变化的光致发光。通过对TEM，Raman，FTIR，加氢和变温度PL等结果的分析，对发光机理进行了深入的分析，证实了750 nm附近的发光来自于nc—Si/SiO2多层膜巾nc—Si界面的发光。 3．通过逐步多次热退火的方法，在a—Si子层开始晶化的临界温度附近，首次发现了剖面密度达1012/cm2的临界状态的球形非晶硅的团簇结构，TEM结果显示团簇尺寸为2～4 nm，Raman分析显示其有序度介于标准的非晶硅与单晶硅之间。与nc—Si/SiO2多层膜750 nm的发光不同，临界晶化状态的多层膜的PL谱表现为一个较强的双峰结构，峰位分别是773 nm和863nm，结合变温PL的分析，对临界晶化状态的多层膜的两个较强的发光峰，提出了分别来源于临界硅团簇界面的Si=0双键和内部的缺陷的发光机制。 4．在以上对nc—Si/SiO2多层膜PL研究的基础上，我们对nc—Si/SiO2多层膜的电致发光性质进行了细致的研究。与光致发光谱单峰的结构不同，nc—Si/SiO2多层膜的电致发光谱是一个多峰的结构，nc—Si的尺寸对各个峰的强度分布具有调制作用。通过采用PIN结构，降低了开启电压，增强了载流子的注入。结合加氢对电致发光谱的影响的分析，提出了nc—Si/SiO2多层膜的电致发光来源于nc—Si和nc—Si与氧化硅的界面以及二氧化硅中发光中心的发光机制。最后初步的设计了一种侧面层注入，脊形波导端面光出射的新型电致发光器件结构。