众所周知,硅因其间接带隙结构而发光效率低下,这严重限制了硅基光电集成的发展。因此,与现有硅基CMOS集成电路工艺兼容的光源成为硅基光电集成领域亟需解决的问题。在过去的近三十年间,人们提出了若干种实现硅基光源的方案。其中,硅基掺铒（Er）氧化物半导体薄膜器件在¹.54?m处的电致发光（EL）正好落在石英光纤的最低损耗窗口,而且其制备工艺与现有CMOS工艺完全兼容。因此,研究硅基掺Er氧化物半导体薄膜器件的电致发光对发展硅基光电集成所需的光源具有重要的现实意义。本文系统研究了硅基掺Er的ZnO薄膜器件的电致发光及其增强策略,取得如下主要创新成果:（1）利用射频磁控溅射法在n型轻掺/重掺硅（n-Si/n⁺-Si）外延片上沉积单掺Er的ZnO（ZnO:Er）薄膜和Er、F共掺的ZnO[ZnO:（Er,F）]薄膜,制备了ZnO:Er/n-Si/n⁺-Si和ZnO:（Er,F）/n-Si/n⁺-Si异质结发光器件。在一定的正向偏压下,两种器件均发出仅与Er³⁺离子相关的可见光与¹.54?m波段的近红外光。在可见光和¹.54?m波段,基于ZnO:（Er,F）薄膜的器件的EL强度分别是基于ZnO:Er薄膜的器件的¹0倍和²倍。分析指出:两种器件在发光时的载流子输运受Poole-Frenkel（P-F）机制支配,而它们的Er³⁺发光源于热电子碰撞激发。F^-离子共掺增强器件发光的原因有:ZnO:（Er,F）薄膜比ZnO:Er薄膜具有更大的晶粒,因而具有更多的光学活性Er³⁺离子;F^-离子部分替换了Er³⁺离子周围的O^2-离子而形成ErO_6-xF_x八面体,其对称性低于ErO₆八面体,从而增加了光学活性Er³⁺离子的内4f能级跃迁几率。（2）将重掺n型硅（n⁺-Si）经干氧热氧化形成¹0 nm的氧化硅（SiO_x,x≤2）层,以射频磁控溅射法在上述热氧化硅片上沉积ZnO:Er薄膜和Zr、Er共掺的ZnO[ZnO:（Zr,Er）]薄膜,制备了基于ZnO:Er/SiO_x/n⁺-Si和ZnO:（Zr,Er）/SiO_x/n⁺-Si多层结构的发光器件。在相同的注入电流下,基于5 at.%Zr共掺的ZnO:（Zr,Er）薄膜器件在可见光和¹.54?m波段的EL强度上比基于ZnO:Er薄膜的器件分别要高50倍和5倍左右。分析指出:两种器件在发光时的载流子输运遵循缺陷辅助隧穿（TAT）导电机制,而它们的Er³⁺离子发光可归因于热电子碰撞激发。基于ZnO:（Zr,Er）薄膜的器件具有更强的Er³⁺离子发光的主要原因为:1.掺Zr会导致Zn空位以及部分替代Zn²⁺离子位,使部分“ErO₆Zn₆”单元转变成“ErO₆Zn_6-x”以及“ErO₆Zn_6-xZr_x”单元,这样就使具有光学活性的Er³⁺离子所处的ErO₆准八面体发生畸变而导致其晶格场对称性降低,进而增加了Er³⁺离子的内4f能级跃迁几率。2.透射电子显微镜能谱分析表明,基于ZnO:Er薄膜的发光器件中一部分Er³⁺离子在ZnO/SiO_x界面处偏析,导致光学活性的Er³⁺离子减少,而在基于ZnO:（Zr,Er）薄膜的发光器件中没有发生明显的Er离子偏析。（3）在n⁺-Si上经干氧热氧化形成¹0 nm的SiO_x（x≤2）层,利用射频磁控溅射法在上述热氧化硅片上沉积ZnO:Er薄膜和Ti、Er共掺的ZnO[ZnO:（Ti,Er）]薄膜,制备了基于ZnO:Er/SiO_x/n⁺-Si和ZnO:（Ti,Er）/SiO_x/n⁺-Si多层结构的发光器件。在相同注入电流下,基于5 at.%Ti共掺的ZnO:（Zr,Er）薄膜的器件在可见光和¹.54?m波段的EL强度上比基于ZnO:Er薄膜的器件分别要高50倍和20倍左右。分析指出:两种器件在发光时的载流子传输遵循TAT导电机制,而它们的发光来源于热电子碰撞激发ZnO晶格中的Er³⁺离子。需要指出,共掺Ti增强器件电致发光的主要原因与上述共掺Zr的增强机制相似。（4）利用射频磁控溅射法在n⁺-Si上沉积掺?0.1 at.%Er的ZnO:Er薄膜,再旋涂一层PMMA薄膜,制备了Au/PMMA/ZnO:Er/n⁺-Si结构的金属-绝缘体-半导体（MIS）发光器件。器件在较低电压下表现为随机激射（RL）,而在较高电压下表现为ZnO的³80 nm近带边自发辐射和Er³⁺离子可见发光。分析指出:器件在正向偏压足够但仍较低的情况下,在PMMA/ZnO:Er界面附近区域电子的准费米能级(E_Fn)与空穴的准费米能级(E_Fp)之差大于ZnO的带隙,即:E_Fn-E_Fp>E_g,满足受激辐射条件,从而产生光增益。在多晶ZnO:Er薄膜中,ZnO发出的近带边紫外光受到多重散射。在某些多重散射过程中,光增益可大于光损耗,从而产生RL;当器件被施以较大的正向偏压时,相当多的空穴被扫出PMMA/ZnO:Er界面附近的区域而进入薄膜内部,与从n⁺-Si漂移过来的电子复合。其中,直接复合导致ZnO近带边紫外发光;而依靠缺陷的间接复合通过能量传递激发出Er³⁺离子可见发光。（5）在n⁺-Si上经干氧热氧化形成¹0 nm的SiO_x（x≤2）层,利用射频磁控溅射法在上述热氧化硅片上沉积掺Er的ZnGa₂O₄（ZnGa₂O₄:Er）薄膜,制备了基于ZnGa₂O₄:Er/SiO_x/n⁺-Si多层结构的发光器件。器件在一定的正向偏压下,发出源于Er³⁺离子的可见光与¹.54?m波段的近红外光。分析指出,器件发光来源于热电子直接碰撞激发ZnGa₂O₄晶格中的Er³⁺离子。在足够高的正向偏压下,n⁺-Si中的电子通过TAT机制进入SiO_x的导带,在电场驱动下“跳入”ZnGa₂O₄的导带而成为热电子,这些热电子碰撞激发ZnGa₂O₄晶格中的Er³⁺离子,从而导致Er³⁺离子的特征发光。（注:这部分工作是在本论文主体工作基础上的延伸。）