硅是间接禁带半导体,室温下发光效率很低,这严重限制了硅基光电集成技术的发展。因此,需要利用其它发光材料制备用于硅基光电集成的光源。稀土离子具有特殊的电子层结构,其发光具有谱带窄、色纯度高、受外界环境影响极小等优点,因而实现硅基稀土发光是探索硅基光电集成所需光源的途径之一。高效的稀土发光需要合适的基体材料,而近年来高介电常数(k)氧化物已被证明是较为理想的稀土发光基质材料。因此,若采用与集成电路制造兼容的工艺在硅基上实现稀土掺杂的高k氧化物薄膜的电致发光,将为硅基发光器件的研究开辟新的领域。本文详细研究了以未掺杂的、以及不同稀土离子掺杂的CeO2、ZrO2薄膜为发光层的硅基金属-氧化物-半导体(MOS)器件的电致发光及其物理机制,取得如下主要创新成果：(1)采用射频磁控溅射法,在重掺p型硅(p+-Si)衬底上沉积CeO2薄膜,并在不同温度下进行热处理。在此基础上,制备了结构为ITO/CeO2/p+-Si的MOS器件。在较低(<10 V)的正向偏压下,实现了该器件在紫外及可见光区的电致发光。研究发现基于550℃热处理的薄膜的器件在发光强度上优于基于450℃热处理的薄膜的器件,这是由于550℃热处理的CeO2薄膜含有更多的氧空位及Ce3+离子。结合器件的载流子输运特性和器件的能带结构图,阐明了器件的电致发光机理,即：在足够高的正向偏压下,电子和空穴注入到CeO2中,并分别被俘获在氧空位相关的缺陷能级及与Ce3+离子相关的Ce 4f1能带。氧空位相关的不同能级上的电子与Ce 4f1能带中的空穴发生辐射复合,导致了不同波长的发光。(2)利用射频磁控溅射法,在重掺n型硅(n+-Si)衬底上沉积掺Er的CeO2(CeO2:Er)薄膜,并在不同温度下进行热处理。在此基础上,制备了结构为ITO/CeO2:Er/n+-Si的MOS器件,实现了该器件在较低的正向或反向偏压(～7V)下源自Er3+离子的可见区及红外区(～1530 nm)的电致发光。研究发现：与基于700 ℃热处理的CeO2:Er薄膜的器件相比,基于900℃热处理的CeO2:Er薄膜的器件的电致发光更强,这是由于更高温度的热处理能够激活更多的Er3+离子,且能减少CeO2:Er薄膜中非辐射复合中心。分析指出：在一定的正向或反向偏压下,电子分别从n+-Si或ITO通过缺陷辅助隧穿进入CeO2导带,并在电场的加速下成为“热电子”,进而碰撞激发CeO2基质中的Er3+离子,随后的退激发产生特征的可见及近红外发光。(3)利用射频磁控溅射法,在p+-Si衬底上沉积掺Eu的CeO2 (CeO2:Eu)薄膜,并在不同温度下进行热处理。在此基础上,制备了结构为ITO/CeO2:Eu/p+-Si的MOS器件。研究发现：该MOS器件的电致发光性能与CeO2:Eu薄膜的热处理温度密切相关,这在本质上是由器件的载流子输运机制所决定的。基于400℃热处理的CeO2：Eu薄膜的MOS器件的载流子输运遵循Poole-Frenkel (P-F)发射机制,从ITO电极注入到CeO2基体中的电子(占据氧空位相关能级)与从p+-si注入到CeO2基体中的空穴(处在Ce 4f1能带中)发生辐射复合,产生宽带的可见发光。基于800℃热处理的CeO2:Eu薄膜的MOS器件的载流子输运遵循缺陷辅助隧穿(TAT)机制,电子从ITO电极依靠TAT机制注入到CeO2导带中,在电场加速下成为热电子,进而碰撞激发Eu3+离子,随后的退激发产生单色性相当好的590 nm发光。基于600℃热处理的CeO2:Eu薄膜的MOS器件的载流子输运受P-F和TAT混合的机制支配,因此在电致发光性能上表现为宽带的可见发光与尖锐的590 nm发光共存。(4)采用射频磁控溅射法,在p+-si衬底上分别沉积末掺杂和稀土掺杂的ZrO2(ZrO2:RE, RE=Er、Eu)薄膜,并在不同条件下进行热处理。在此基础上,制备了结构为ITO/ZrO2/p+-si和ITO/ZrO2:RE/p+-Si的MOS器件。研究表明：基于真空热处理的ZrO2薄膜的MOS器件比基于氧气氛下热处理的ZrO2薄膜的MOS器件具有更强的电致发光,这是由于真空热处理的ZrO2薄膜中含有更多氧空位和Zr3+离子。分析认为,在一定的正向偏压下,电子和空穴分别从ITO和p+-Si注入到ZrO2中,并分别被氧空位相关的缺陷(F+、AOD+中心)及与Zr3+离子相关的缺陷捕获,当这些电子和空穴发生辐射复合时,产生中心峰位位于-445和545 nm的宽带发光。遗憾的是,基于ZrO2:RE薄膜的MOS器件的电致发光只表现出源于ZrO2基体中缺陷的宽带发光,未出现与稀土离子相关的特征发光。通过研究器件的载流子输运特性,认为这是因为载流子输运机制是缺陷辅助的P-F机制,在该机制下电子不能被加速为能碰撞激发稀土离子的热电子。