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作为微电子领域中的主角，半导体硅材料有着不可替代的地位。随着半导体工艺技术的不断发展，人们更加关注于硅基光电子集成的研究和发展以满足后摩尔时代对信息传输、处理等日益增长的性能需求。其中最富有挑战性的关键技术就是如何做好硅基发光材料及发展硅基光源，这也就促使了基于材料科学、纳米科学的硅基光电子领域成为目前的研究热点与前沿课题之一。作为一个广受关注的课题，近十年来，人们以发展了各种技术和方法来克服体硅材料的局限，以求得到高效的硅基发光材料，并对硅基发光材料的结构与物理性质进行深入而仔细的研究。本论文选择在硅基光电集成中具有潜在应用前景的nc-Si/SiO2多层膜结构作为研究对象，在PECVD系统中制备a-si：H/SiO2多层膜结构，经过逐步热退火或者激光晶化形成nc-Si/SiO2多层膜。然后研究了其电致发光特性，并初步讨论了发光机理。此外，研究了在纳米硅子层P、B掺杂对nc-Si/SiO2多层膜结构的电致发光行为的影响。
本论文的主要内容与结果如下：
1.利用PECVD系统制备出a-Si：H/SiO2多层膜，经过逐步热退火形成尺寸可控的nc-Si/SiO2多层膜。通过TEM、Raman、FTIR对薄膜的微结构进行了表征，证明了退火前后Si/SiO2多层膜都保持界面清晰、层状结构良好的结构，并且随退火温度的升高，形成的纳米硅颗粒变大，样品晶化比例变高。着重研究了Si/SiO2多层膜的电致发光(EL)特性。从实验上发现制备在p衬底上的样品在正向偏置(衬底接正偏压)的时候可以测到室温下较强的EL信号；样品的电致发光谱线可以分为540、720nm两个发光峰，并且随着偏压的增加，EL峰位略有蓝移现象。对电致发光机制进行了讨论，认为720nm的EL来自于电子空穴对在纳米硅表面Si=O的辐射复合；对于540nm的发光，可能为热电子的碰撞离化在纳米硅里面产生的电子空穴对的直接复合或者电子空穴对在纳米硅/SiO2中与氧有关的界面态的发光。进而比较了不同掺杂浓度的p型衬底对Si/SiO2多层膜电致发光的影响。发现在重掺杂p型Si衬底上制备的电致发光原型器件具有更高的功率转换效率，但在掺杂浓度较低的p型Si衬底上制备的器件具有较高的外量子效率，并且发光的稳定性也比p+衬底上样品好。
2.利用激光诱导限制性晶化技术，通过KrF准分子超短脉冲激光作用于PECVD系统制备的a-Si：H/SiO2多层结构上，获得了nc-Si：H/SiO2多层结构，并构成了Al/nc-Si/SiO2多层膜/ITO/glass电致发光原型器件。通过实验发现：(1)没有经过激光辐照的原始淀积样品没有测到EL；(2)相对于上一章热退火的样品，激光晶化样品的开启电压约为4-8V，开启电流较小；(3)EL强度随偏压增加而增加，但在偏压比较大时趋于饱和状态；(4)不同能量激光晶化样品峰位基本相同，发光峰通过高斯拟合，可以分为510nm、650nm附近的两个峰。激光晶化的nc-Si/SiO2多层结构样品的EL外量子效率要比高温退火样品的高，但流经样品的电流接近20mA时，EL外量子效率呈下降的趋势。另外，只有选择合适的激光能量密度才能得到效率更高的EL器件。
3.研究了P和B掺杂对nc-Si/SiO2多层结构电致发光的影响。掺P后EL的峰位相对于未掺杂样品红移。在相同电压下，掺P器件的EL效率明显提高，而且，掺P比例较大的样品EL效率更高。而掺B后EL峰位相比于未掺杂样品有蓝移的现象。掺B对发光强度的影响不大，开启电压与未掺杂样品差不多。由于P、B对纳米硅的掺杂效率不一样，导致掺B和掺P样品的EL各具其特点。同时，对掺杂P、B后载流子的输运机制进行了讨论。