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随着人类社会的进步，人们对半导体微（纳）电子与光电子器件的要求不断提高。器件的发展一直朝着高速、高性能、多功能、低功耗和小型化的方向前进，因此要求研究人员不断地寻找和开发新的半导体功能材料和器件。目前，在微电子领域，Si仍然占据着主导地位，但为了进一步提高器件性能，半导体GeSi及Ge材料，包括纳米锗(nc-Ge)薄膜、锗纳米线和锗量子点等受到了越来越多的重视。相对于Si，半导体Ge具有更高的电子和空穴迁移率，因此可以被用来制备高迁移率的晶体管。另一方面，Ge的禁带宽度比Si的窄，对应的波长处于近红外波段，可用来制备光电集成中所需的近红外光源和红外探测器。同时，由于其具有较小的有效质量和较大的介电常数，使得Ge具有比Si大得多的激子玻尔半径(～24.3nm)，这意味着在具有较大晶粒尺寸的纳米锗材料中即可观察到量子限制效应，因而也就更容易通过能带工程对纳米锗的能带结构进行调控以设计和制备出相应的器件。最近，基于纳米锗的光发射器件、浮栅存储器件、高迁移率薄膜晶体管、光探测器和太阳能电池等均有报道。而如何获得可控的纳米锗材料，特别是在廉价的玻璃衬底上制备纳米锗、研究其光电性质和探索相应的器件应用已成为当前国际上引人瞩目的研究方向之一，具有重要的研究意义和价值。 本论文在实验室前期的研究基础上，首先对利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备的超薄氢化非晶锗（a-Ge∶H）薄膜的结构及光电性质进行了研究，发现随着薄膜厚度改变其结构及发光行为发生变化。进而采用热退火和激光晶化两种技术方案，对单层非晶锗膜及非晶锗/非晶氮化硅（a-Ge∶H/SiNx）多层结构进行晶化，得到了单层纳米锗薄膜和纳米锗/氮化硅(nc-Ge/SiNx)多层结构薄膜。特别是利用激光晶化技术结合多层膜结构可以在廉价的玻璃衬底上获得尺寸可控的纳米锗薄膜。我们研究了所制备的纳米锗材料的结构及其光电特性，尤其是载流子的输运性质，成功获得了空穴Hall迁移率达到211.7 cm2V-1s-1的纳米锗材料。在此研究基础上，我们尝试将纳米锗应用于浮栅存储器和光探测器，初步制作了基于纳米锗的原理性器件，并对器件性能进行了表征和分析。 论文取得的主要成果如下: (1)利用PECVD技术制备了不同厚度(160nm-5nm)的氢化非晶锗膜，对薄膜的结构和光电性质进行了系统研究。发现当薄膜厚度减至10nm以下时，a-Ge∶H的光学带隙略有增加，而相应的电导率有所降低，载流子的输运机制主要为扩展态电导。我们还发现，在薄膜厚度为10nm以上时，a-Ge∶H的发光谱由2个峰构成，分别对应带尾态之间的辐射复合和带尾态与缺陷态之间的辐射复合;当厚度减至10nm以下，发光谱呈单峰形状，发光强度增强，非辐射复合的激活能增加，其发光机制为带尾-带尾的辐射复合。这反映了在厚度减薄时，超薄a-Ge∶H膜中的缺陷态或被有效地钝化，与缺陷相关的发光被抑制，使得发光谱呈单峰结构;加之纵向上尺寸限制效应的影响，薄膜的辐射复合明显增强。 (2)利用常规退火技术对a-Ge∶H膜在不同温度下进行处理，研究了退火对样品的微结构与光电性质的影响。结果表明，a-Ge∶H膜在400℃下退火即开始晶化。在450℃-600℃之间退火，可以形成晶粒尺寸为10-30nm的纳米锗薄膜。晶化后纳米锗的室温电导率比非晶样品提高了6个数量级，达到14.2 S cm-1，Hall迁移率则提高了3个数量级，达到211.7 cm2 V-1 s-1，是目前利用热退火制备纳米锗中的最高值，说明我们得到的纳米锗膜具有较高的质量。进而我们制备了a-Ge∶H/SiNx多层膜，利用热退火获得了尺寸可控的nc-Ge多层结构，其室温电导率和Hall迁移率分别为5.5×10-4 S cm1和5.0 cm2 V-1 s-1。实验发现在多层膜中，载流子的输运过程主要是有nc-Ge层所决定。同时，在nc-Ge/SiNx多层结构中观察到了室温下强烈的可见光发射。 (3)我们发展了KrF准分子脉冲激光晶化技术，对a-Ge∶H单层膜和a-Ge∶H/SiNx多层膜进行了晶化研究。Raman光谱和TEM图像证实，在较低的激光能量密度下即可形成nc-Ge晶粒。我们发现，从非晶到纳米晶的变化过程中，随着激光能量密度的增大，nc-Ge单层膜和多层膜的光学带隙均逐渐变窄，这与晶粒尺寸和结晶度的增大有关。对于多层膜结构，在相同的激光能量密度下，a-Ge∶H子层厚度较大的样品的带隙也较窄。因此，通过合理设计薄膜厚度、结构以及激光能量密度，可以有效地调控晶粒尺寸进而获得相应的nc-Ge材料。我们系统研究了nc-Ge单层膜和多层膜中载流子的电学输运特性，并将其与由热退火制备的nc-Ge样品进行了比较，发现激光晶化制备的单层膜与多层膜的导电过程和热退火制备的样品一样，主要是由nc-Ge相决定的。实验测得的Hall迁移率分别为39.4 cm2 V-1 s-1和2.4 cm2 V-1 s-1。我们的实验结果表明，利用激光晶化技术可以避免长时间高温热处理过程，从而可以在廉价的玻璃衬底上制备大面积高质量的nc-Ge薄膜。 (4)在以上研究的基础上，我们尝试利用nc-Ge膜制备了浮栅存储器结构和光探测器结构，初步研究了基于纳米锗的器件性能。对于SiNx(23nm)/nc-Ge(4nm)/SiNx(5nm)/p-Si样品，通过开尔文探针力显微镜(KFM)测试，在外加偏压下我们观察到了样品表面电势的变化，表明该结构中可以通过注入电荷以实现电荷存储功能。进而我们蒸镀电极构成了Al/SiNx(23 nm)/nc-Ge(4nm)/SiNx(5nm)/p-Si结构，通过高频电容-电压(C-V)测试观察到了电荷的存储现象，发现电子和空穴均可存储于该结构中。同时我们还采用3周期的SiOx/nc-Ge结构制备了金属-绝缘体-半导体(MIS)结构光探测器，发现它在300-1200nm范围内有很好的光响应特性。对于SiOx(12nm)/nc-Ge(5nm)结构样品，在1V偏压下即可获得约600 mA/cm2的响应度和90％以上的外量子效率。