硅(Si)是当今微电子工业与信息技术的基础材料，随着Si平面工艺技术的不断进步，应用于器件中的硅材料的尺寸也不断减小，进入了深亚微米量级，因而对低维硅基纳米结构材料，像纳米硅量子点、硅纳米线等材料的相关研究已成为目前人们极为关注的研究课题之一。同时，这些纳米材料在许多领域有着非常重要的应用前景。例如，利用纳米硅量子点中载流子的量子限制效应可以获得高效率的硅基发光特性以用于未来的单片硅基光电集成中。而将纳米硅量子点与硅基薄膜相结合，则有可能提高太阳能电池的有效光谱相应范围以实现宽光谱响应的高效硅基叠层电池。在我们先前的研究工作中，对纳米硅量子点的制备与光电性能进行了深入的研究。采用等离子体增强化学气相淀积技术(PECVD)制备了非晶硅基多层膜；基于限制性晶化原理，通过激光晶化和热退火等后处理技术获得高密度、尺寸均匀的Si QDs/SiO2多层膜；并探索了多种技术途径以促进载流子的电注入，提高器件的电致发光效率。但研究的对象集中在纳米硅/二氧化硅(或氮化硅)体系。相对于二氧化硅与氮化硅介质层，非晶碳化硅(SiC)膜具有较低的带隙，因而与纳米硅之间的能带偏移较小，有利于载流子的输运(注入与收集)，有可能提高纳米硅基光电器件的性能，因而近年来在国际上日益受到重视。本论文中，我们针对镶嵌在非晶碳化硅介质中的纳米硅量子点(Si QDs)的制备及光电特性，特别是电致发光特性进行了系统的研究。将限制性晶化原理推广到纳米硅/碳化硅体系，制备出了镶嵌于碳化硅中的不同尺寸的纳米硅量子点材料和纳米硅/碳化硅多层结构材料。观察到了与尺寸相关的电致发光特性，并对材料的形成过程，载流子的输运及复合机制及可能的发光增强途径进行了探讨与分析，取得的主要成果与创新点如下：　　 1.采用常规PECVD技术制备了系列氢化非晶碳化硅薄膜，通过控制薄膜组分及热退火温度获得了具有不同尺寸的镶嵌于碳化硅介质中的纳米硅量子点材料。在研究材料的微结构与光电特性的基础上，设计和制备了电致发光原型器件。在室温下观测到了电致发光信号，并发现随着样品中的纳米硅量子点尺寸的增大，电致发光峰位相应红移，表现为尺寸相关的发光特性，但与常规的无限深势阱的有效质量近似(EMA)模型所计算的理论值有较大差异。我们对相应模型进行了修正，考虑到弱量子限制效应的影响，利用修正后的模型得到的理论值与实验结果可以很好的吻合。而我们所提出的修正后的EMA模型可以应用到其它具有有限深势阱(或势垒)的量子体系中。　　 2.为了控制纳米硅量子点的尺寸分布，提高Si QDs-SiC体系的电致发光效率，我们将限制性晶化原理推广到Si/SiC多层结构中，采用多层膜和热退火手段成功制备了尺寸可控，高密度的Si QDs/SiC多层膜。实验发现，仅仅2nm厚的近化学配比的SiC子层就能够对纳米硅的形成起到很好的限制晶化作用，退火过程中生成的Si QDs的大小可以得到很好的控制，获得的纳米硅尺寸分布偏差仅为0.4nm。对基于Si QDs/SiC多层膜的电致发光的研究结果表明，EL峰位也是随着纳米硅尺寸的变化而改变，但是发光强度比单层膜样品提高了近一个数量级，谱线半高宽明显减小，反映了尺寸均匀分布的高密度纳米硅有助于器件发光性能的改善。进一步的研究表明，在电场作用下，薄膜中载流子的输运以Fowler-Nordheim隧穿机制为主。由于SiC较低的势垒高度，电致发光的开启电压仅为3.5V，且发光稳定性较好。在80分钟的持续电场作用下，电致发光强度降为起始时的88％后保持不变。说明利用碳化硅介质，电致发光器件可工作在较低偏压下，并使得由于器件温度升高导致稳定性下降的问题有所改善。　　 3.为了能进一步调控硅基发光材料的发光行为，我们研究了碳化硅构成的全介质分布布拉格反射器(DBR)的制备与特性。为了解决器件电注入的问题，我们设计并制备了具有Ag/有源层/DBR混合结构的光学微腔，初步研究了利用光学微腔调控有源层的发光行为，提高发光效率的可行性。理论模拟与实验测试相结合，确定了在这种混合结构微腔(金属Ag和DBR作为两边的反射镜)共振模式的变化规律。随着Ag厚度的增加，微腔的共振出射光的波长不断蓝移，而Ag厚度为30-40nm时，出射光的强度达到最大。可见金属膜厚度是混合微腔设计中需要考虑的一个关键参数。另外，我们还从实验上观测到，将DBR替换为金属/DBR的复合结构，在DBR仅为2个周期时也可以获得很高的反射率(>95%)，这有利于提高有源层的出光效率。在此基础上，我们设计了相应的基于纳米硅量子点的电致发光光学微腔器件结构。