硅基光电子技术在光互连、光通信、传感技术、生物技术、芯片实验室等领域具有广阔的应用前景,近年来得到快速发展并在一些关键的功能器件方面取得了显著的进展,然而,单片集成的电注入硅基光源仍然是困扰硅基光电子学的一大难题。为解决这一问题,学术界和工业界研究了很多方法,如纳米硅、掺铒硅基发光、三五族有源半导体与硅的混合集成、应变锗的直接带隙发光等。在这些方法中,掺铒硅基材料的发光中心波长为1.54μm,是标准的光通信波长,可以在硅波导中低损耗传输,能够用CMOS工艺制造,便于大规模集成,受到了长期关注和研究。近年来发展的铒(镱/钇)硅酸盐材料成功地解决了提高铒离子浓度这一困扰掺铒硅基发光材料的难题,有可能将1.54μm波长的光增益提高一个数量级以上,极具发展潜力和应用前景。本研究主要内容包括：　　⑴制备了一系列铒镱硅酸盐粉末和薄膜,研究了晶体结构、固相演变、光致发光等基本特征。通过定量研究铒镱硅酸盐的晶体结构随材料组份的变化规律,证实了铒镱硅酸盐固溶体的形成。光致发光谱和发光寿命研究证实了镱对铒的敏化和稀释作用。镱离子与铒离子之间的高效能量传输,提高了铒离子的激发效率;镱对铒浓度的稀释抑制了铒离子的浓度淬灭效应,延长了铒离子的1.531μm发光寿命。然而,镱离子同时也增强了铒离子的发光能量上转换,对1.531μm的发光效率和光增益造成不利影响。　　⑵用磁控溅射方法在硅衬底上沉积了铒镱/钇硅酸盐(Er0.2RE1.8Si207,RE=Yb,Y)薄膜。通过改变薄膜表面的局域光学态密度,首次获得了铒镱/钇硅酸盐薄膜的1.531μm光致发光量子效率。发现:用974nm波长激发时,镱离子对铒离子的能量传输增大了铒离子的有效激发截面;用其他波长激发时,铒离子对镱离子的背向能量传输减小了铒离子的有效激发截面。　　⑶尝试了一系列铒镱/钇硅酸盐薄膜电致发光的方案。发现铒镱/钇硅酸盐薄膜很容易击穿,难以稳定地传导电流,无法实现电致发光。针对这一问题,提出了用氮化硅或氮氧化硅作限流层,阻止铒镱/钇硅酸盐的破坏性击穿,使电流以Fowler-Nordheim(FN)隧穿的方式注入硅酸盐并产生热载流子,从而碰撞激发铒离子。制造了金属-绝缘体-硅的器件结构,加入限流层,成功地实现了铒镱/钇硅酸盐的1.53μm的电致发光。发现电流传导机制是FN隧穿,1.53μm电致发光机制是热载流子对铒离子的碰撞激发,验证了方案的可行性。进一步发现了铒镱硅酸盐中铒离子的碰撞激发截面是掺铒二氧化硅的3倍,表明这种材料具有较高的电激发效率　　⑷建立了铒离子的电泵浦二能级模型和速率方程。计算表明,铒镱/钇硅酸盐能够提供比掺铒二氧化硅高约一个数量级的电泵浦1.53μm光增益,表明这种材料极具发展潜力。设计了用于电注入的沟道波导结构,发现这种结构有可能提供2～3dB/cm的净增益,提出了基于沟道波导的微环谐振腔和用于电注入的表面等离子体源器件。　　⑸本文的主要创新点：①通过定量研究晶体结构,证实了铒镱硅酸盐固溶体的形成,发现硅酸盐中镱不仅对铒有敏化和稀释作用,同时也增强铒的发光能量上转换；②获得了铒镱,钇硅酸盐薄膜的1.53μm光致发光量子效率；③实现了铒镱/钇硅酸盐中热载流子碰撞激发产生的1.53μm电致发光；④理论分析了铒镱/钇硅酸盐的电泵浦1.53μm光增益。