以硅材料为基础的微电子技术，是现代电子计算机、自动化控制、电子通信等领域发展的基础，也体现着一个国家科技实力的强弱。然而随着集成电路的飞速发展，芯片内部晶体管之间的互连布线变得无比复杂，从而导致芯片速度无法进一步提升，同时内部串扰现象严重，散热和耗能问题也很难克服。采用光来传输信号可大大提高系统响应速率、交叉互连密度、信息处理速度和准确性，同时减少电磁波串扰和能量损耗，电互连引起的“瓶颈”有望得到解决，突破目前集成电路信息存储量和工作速度的限制。然而，作为间接带隙半导体材料的硅，其发光功率和外量子转换效率都很低，因此实现硅基光电子集成的关键在于研制出高效率的硅基发光器件，以及提高光互连系统的转换与耦合效率。本文对基于标准CMOS工艺的硅基发光器件，以及由其构成的光互连系统进行了深入的研究，主要研究内容如下：1．分析了已有报道的硅基发光器件，对其结构和发光机理进行了分析，重点研究了CMOS工艺下硅PN结反向击穿和正向注入发光器件的一般结构、发光机理和光电特性，在此指导下设计了楔形三端Si-LED、八边形雪崩击穿Si-LED，并进行了详细的光电特性测试。2．详细研究了与CMOS兼容的一些器件结构，如肖特基势垒二极管、MOS隧道二极管和PIN二极管等，分析了这些器件的工作原理，并结合硅基发光理论，在标准CMOS工艺下设计和制造了肖特基势垒Si-LED、MOS隧道Si-LED和多晶硅PIN Si-LED，对这些器件进行了详细的光电特性测试。3．在本文设计的硅基发光器件的基础上，在光电可逆性原理的指导下，设计了多晶光互连系统和混合光互连系统。总体上，硅基CMOS结构的发光器件及其构成的光互连系统研究还处于起步阶段，然而对于该领域的研究不仅有望解决传统电互连的“瓶颈”，将摩尔定律扩展到一个全新的领域，而且对于全光系统芯片的研制，乃至光学计算领域也具有重要意义。