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随着超大规模集成电路技术的不断发展，以硅为代表的半导体微电子器件的特征尺寸正按照摩尔定理的预测日益缩小，目前已进入纳米尺度范围，所以对纳米硅的制备，光电特性及器件应用的研究越来越受到人们的关注。特别是在尺寸受限的情况下，作为间接带隙的半导体硅材料在室温下可以观察到光致可见光发射，使得对基于纳米硅材料的发光性质和发光器件的研究成为了当前国际上的一个研究热点。目前，困扰着硅基发光器件进一步发展的主要问题之一就是其发光效率低下，如何提高硅基发光材料的发光效率使其能满足光电集成的要求是当前一个极具挑战性的课题。本论文针对这一课题，研究了氢气氛退火对硅基发光材料，包括纳米硅/二氧化硅(nc—Si/SiO2)多层膜结构与非晶氮化硅(a—SiNx)薄膜的发光行为的影响，利用氢气氛下热退火技术在样品中引入氢以钝化样品中作为非辐射复合中心的缺陷态，从而提高硅基薄膜的发光效率。研究了不同的氢气氛退火温度对nc—Si/SiO2多层膜以及a—SiNx薄膜的发光强度的影响，得到了最佳退火温度，用电子自旋共振(ESR)手段研究了氢钝化改善薄膜发光特性的机制。
论文主要取得以下结果：
1．对nc—Si/SiO2多层膜进行不同温度(300～600℃)的氢气氛退火来研究氢对其光致发光特性的影响，发现氢退火后，样品的光致发光强度显著增强，约增加了一倍。而且不同氢退火温度对发光强度影响很大，400℃时nc—Si/SiO2多层膜的光致发光强度达到极大值，而发光峰的峰形在氢退火过程中没有发生变化。在以上研究基础上，研究了氢处理对nc—Si/SiO2多层膜的电致发光的作用。同样地，在合适的氢气气氛下退火后电致发光的强度得到了显著地增强。研究结果表明：氢处理确实能够有效地钝化纳米硅中的非辐射复合中心，从而提高发光效率。
2．为了进一步解释氢处理增强光致与电致发光强度的物理机制，我们对氢处理前后的nc—Si/SiO2多层膜进行了电子自旋共振(ESR)测试。研究发现在nc—Si/SiO2多层膜结构中主要存在的缺陷态是g因子为2.006的a—center，它可以归结为是纳米硅中存在的悬挂键而不是一般认为的nc—Si/SiO2界面处的Pb悬挂键缺陷态。这种缺陷态在发光过程中扮演非辐射复合中心的角色，降低了辐射复合的几率。ESR结果显示氢退火后该缺陷态浓度明显减少，这表明氢在退火过程中进入样品钝化了非辐射复合中心a—center。与氢处理对发光特性的影响相联系，我们可以得到结论：氢退火过程中，氢进入样品有效地钝化了样品的非辐射复合中心—a—center，从而使纳米硅的发光强度得到了明显增强。
3．对氢对富硅a—SiNx：H薄膜的光致发光(PL)的影响作了初步的研究。我们发现样品的PL强度对氢退火的温度有非常强的依赖性，而发光峰形随温度的改变并不明显。a—SiNx：H薄膜氢退火改善发光的温度范围极其狭窄，和nc—Si/SiO2多层膜相同，400℃为最佳PL改善温度。当氢退火温度＞400℃时，样品的PL强度大幅度降低，900℃时，PL湮灭。分析原因我们认为氢进入逸出样品是一个动态平衡的过程，当温度过高时，氢退火过程中逸出样品的氢远大于进入样品中的氢，从而导致非辐射缺陷态急剧增加，发光强度降低甚至发光湮灭。