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铒离子(Er3+)内层4f电子的发光波长位于1.54μm，该波长对应于石英光纤的最小损耗窗口。掺铒发光薄膜在光互连以及光电集成方面的应用引起了人们很大的兴趣。本论文叙述了掺铒发光薄膜的发展现状，对其发光原理和激发机制等做了重点阐述。掺铒纳米硅复合材料目前研究最为广泛，基质材料中的纳米硅能将能量转移给铒离子，大大增强了铒离子的发光强度，起到了感光剂的作用。同时，近年来人们开始广泛研究掺铒的介电质氧化物材料，以期得到高效发光。这些介电质材料有大的禁带宽度，可以有效的抑制由能量去激发所带来的Er3+发光的温度淬灭效应，同时含有较多的氧原子，铒有着很高的固溶度，因此可以产生更多的光激活Er3+来实现高效的Er的发光。本文的薄膜基质材料氧化铪和氧化铝就具备这些优点，同时它们与硅接触时有较好的热稳定性。主要研究结果包括：
1.本论文采用脉冲激光沉积(PLD)的方法制备了掺铒Si/Al2O3多层薄膜，经后期高温退火后在薄膜中获得了纳米硅。同时改变设计了不同厚度的硅层，制备了一系列拥有不同尺寸的纳米硅的掺铒Si/Al2O3多层薄膜。在476nm波长(非铒离子共振波长)激发下，这些薄膜均实现了铒离子在1.54μm处强度较大且较稳定的室温发光，纳米硅确实起到了感光剂的作用。TEM测量显示，用PLD方法制备的多层薄膜有很好的界面性，其中的纳米硅层很好的限制在临近的两个Al2O3层之间，纳米硅尺寸与硅层厚度有关，较好的实现了纳米硅的尺寸限制生长。对其发光强度随测量温度的变化特征分析看到，这里铒离子发光的温度淬灭效应较弱，290K时的发光强度相对于30K时仅减小了2.5倍左右。进一步，对样品退火温度对铒离子发光强度影响研究发现，不同硅层厚度的薄膜均存在着各自的最优退火温度。通过这些薄膜XRD、Raman谱的测量，我们发现这些现象有着相似的原因，在到达最佳退火温度以前，铒离子发光强度随温度的升高而增强是因为薄膜中的缺陷在不断减少，在到达最佳退火温度之后，铒离子发光强度的减少是因为薄膜中作为感光剂的纳米硅随着退火温度提高而形成结晶所致。
2.研究了铒在Si/Al2O3多层薄膜中的发光机制。光致荧光激发谱(PLE)测量显示，除了对应于几个直接跃迁的发光峰外，样品在整个激发波长范围内，特别是在Er3+无法直接吸收激发能量产生辐射跃迁的激发波段都呈现出连续的发光现象，并且激发波长越短也就是激发能量越强发光强度越大。这说明该主要的发光过程是一个间接激发的过程。纳米硅将能量转移给铒离子，增强铒的发光。对时间瞬态谱的上升和衰减部分分析，进一步验证了存在能量转移这一间接激发机制。
3.我们采用相同的方法制备了其他纳米硅复合薄膜，如掺铒的Si/HfO2薄膜和Si/(HfO2+Er2O3)薄膜，研究了室温发光特性，特别将他们与掺铒的Si/Al2O3多层薄膜和没有Si的掺铒HfO2参考薄膜的PL谱对照，其中的Si层未起到发光增强的效果，反而减弱。根据XPS结果，可以看到大部分的Si已经和氧化铪形成HfSiO的化合物，这种化合物不利于Er的激活和发光。因此，在HfO2中未能实现纳米硅的感光剂作用。发现由此可见，Al2O3较HfO2薄膜材料更有利于耦合入纳米硅，从而更加有利于增强Er3+的1.54μm发光。
4.我们制备了MIS结构电致发光器件，掺铒的Si/Al2O3多层漳膜器件在室温下得到了较好的铒电致发光。