項(xiàng)目簡(jiǎn)介：  

硅是最重要的半導(dǎo)體，氧化硅是硅的最佳輔佐。大氣中納米硅表面必然生長(zhǎng)納米氧化硅層，兩者的物理特性特別是發(fā)光特性受到廣泛重視。本項(xiàng)目研究納米硅－氧化硅體系 - 包括納米氧化硅復(fù)蓋的納米硅，多孔硅，納米硅/納米氧化硅多層結(jié)構(gòu)等 - 的發(fā)光特性及其物理機(jī)制。

主要?jiǎng)?chuàng)新：

１．提出量子限制(QC)－發(fā)光中心(LC)模型（1993），指出緊鄰納米硅的納米氧化硅中LC（缺陷或雜質(zhì)）與納米硅一樣在PL中起關(guān)鍵作用。解釋了當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的QC模型難以解釋的許多實(shí)驗(yàn)。QCLC模型被學(xué)術(shù)界廣泛承認(rèn)為納米硅－納米氧化硅體系PL兩種主要機(jī)制模型之一。

２．首先指出多孔硅的紅光和藍(lán)光PL都源于氧化硅LC。發(fā)現(xiàn)起源于氧化硅LC的多孔硅近紫外光PL。發(fā)現(xiàn)多孔硅PL峰位在低溫退火下會(huì)聚到1.7eV附近。首次獲得并研究多孔度大于90%而在空氣中不�？s的自支撐多孔硅膜，實(shí)驗(yàn)支持QCLC模型。

3. 　發(fā)現(xiàn)Au /　自然氧化硅　/　p-Si（1994）和Au/　富硅氧化硅　/　p-Si（1995）正向偏置EL。首次指出EL可源于納米氧化硅中LC。還發(fā)現(xiàn)Au/　富硅氧化硅　/　n+-Si和Au/　自然氧化硅　/　p+-Si（或n+-Si）反向偏置EL，闡明反向與正向偏置EL機(jī)制的共性與差異。最早（兩者之一）實(shí)現(xiàn)硅基納米(硅/氧化硅)超晶格EL。首次將納米（氧化硅/硅/氧化硅）單阱雙壘這個(gè)基本量子結(jié)構(gòu)引入EL研究。發(fā)現(xiàn)ITO/自然氧化硅/p-Si的360nm紫外EL。

4．建立并不斷完善納米硅－納米氧化硅體系PL的定量理論。建立了同時(shí)考慮納米氧化硅LC和納米硅兩者作用的納米硅－納米氧化硅體系PL定量理論。指出：納米硅大，有利于納米氧化硅LC發(fā)光主導(dǎo)；而納米硅小，有利于納米硅發(fā)光主導(dǎo)，結(jié)論與先前國(guó)際上有廣泛影響的觀點(diǎn)相反。半導(dǎo)體所與香港科技大學(xué)合作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確支持我們的結(jié)論。

發(fā)表論文102篇（SCI論文83篇），其中66篇被SCI論文他引582次。提出QCLC模型和發(fā)現(xiàn)源于氧化硅發(fā)光中心EL的論文單篇分別被他引98和53次。成果在國(guó)際同類研究中領(lǐng)先或居最前列。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：

1. 提出量子限制(QC)－發(fā)光中心(LC)模型（1993）：光激發(fā)發(fā)生在納米硅中，而光發(fā)射發(fā)生在納米氧化硅中緊鄰納米硅的LC上，即發(fā)生在納米硅－氧化硅界面LC上。解釋了當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的QC模型難以解釋的許多實(shí)驗(yàn)。被國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)為納米硅－氧化硅體系兩種主要PL機(jī)制模型之一。（低維物理，固體發(fā)光，代表論文1, ９)

2. 發(fā)現(xiàn)起源于氧化硅LC的多孔硅在～360 nm近紫外PL (1996)。首先指出多孔硅紅光和 藍(lán)光PL源于氧化硅LC。將102塊PL峰位分布在1.4－1.9 eV范圍的多孔硅進(jìn)行室溫一年或200oC下200小時(shí)氧化，發(fā)現(xiàn)其PL峰位會(huì)聚到1.7eV附近，該現(xiàn)象可用QCLC 模型解釋而與QC模型的推論相悖。指出此～1.7 eV紅光PL來自氧化硅LC。首次獲多孔度大于90%而在空氣中不�？s的自支撐多孔硅膜，相關(guān)測(cè)量支持QCLC模型。（低維物理，固體發(fā)光，代表論文3-5, 10）

3. 發(fā)現(xiàn)Au/自然氧化硅/p-Si（1994）和Au/富硅氧化硅/p-Si（1995）正向偏置下EL。首次指出EL可源于納米氧化硅LC。發(fā)現(xiàn)Au/富硅氧化硅/n+-Si(1997)和Au/自然氧化硅/p+-Si（或n+-Si）(1998)反向偏置EL。指出反偏與正偏EL機(jī)制的共性是發(fā)光都來自納米氧化硅LC，差異是只有反偏EL以雪崩擊穿為前提。首先（兩者之一）實(shí)現(xiàn)硅基納米(硅/氧化硅)超晶格EL。首次將納米（氧化硅/硅/氧化硅）單阱雙壘這個(gè)基本量子結(jié)構(gòu)引入EL研究，發(fā)現(xiàn)其EL峰位和強(qiáng)度對(duì)納米硅層厚度的依賴規(guī)律。發(fā)現(xiàn)ITO/自然氧化硅/p-Si 360 nm 近紫外EL，是當(dāng)時(shí)(1999)國(guó)際上波長(zhǎng)最短和工作電壓最低的硅基近紫外EL。通過對(duì)比摻Er納米硅鑲嵌氧化硅和摻Er氧化硅的

1.54微米EL 說明納米硅在EL中作用。（低維物理，固體發(fā)光, 代表論文2, 6）

4. 建立并不斷完善同時(shí)考慮納米氧化硅LC和納米硅兩者作用的納米硅－氧化硅體系PL定量理論，包括摻Er的納米硅鑲嵌氧化硅PL理論。分析納米硅和納米氧化硅LC發(fā)光這兩個(gè)主要發(fā)光過程各在什么條件下占優(yōu)勢(shì)，指出：納米硅大，有利于LC發(fā)光主導(dǎo)；而納米硅小，有利于納米硅發(fā)光主導(dǎo)（2003），此結(jié)論與國(guó)外有廣泛影響的觀點(diǎn)(1999)正好相反。1995半導(dǎo)體所與香港科技大學(xué)合作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確支持我們的結(jié)論。（低維物理，固體發(fā)光，代表論文７, ８）

主要完成人：

1.       秦國(guó)剛

全面負(fù)責(zé)本項(xiàng)研究工作并參與了全過程。量子限制－發(fā)光中心模型的主要提出者, 相關(guān)理論的主要研究者之一。起源于氧化硅發(fā)光中心的電致發(fā)光的主要發(fā)現(xiàn)者之一；相關(guān)電致發(fā)光機(jī)制模型的主要提出者。

對(duì)所有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)都作出重要貢獻(xiàn)。占本人工作量的90%。

2.   冉廣照

系統(tǒng)和深入地研究了摻鉺富硅氧化硅和納米（SiO2:Er/Si/SiO2:Er ）單阱雙壘等結(jié)構(gòu)的近紅外電致發(fā)光，是硅基摻鉺1.54 微米電致發(fā)光和引入發(fā)光中以提高電致發(fā)光強(qiáng)度的主要研究者。對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3 作出重要貢獻(xiàn)。占本人工作量的50%以上。

3.  秦國(guó)毅

QCLC 模型定量理論的主要建立者。從理論上系統(tǒng)和深入地研究了納米硅/氧化硅體系發(fā)光的微觀機(jī)制，包括納米硅鑲嵌氧化硅和氧化硅/納米硅/氧化硅單阱雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的輸運(yùn)與發(fā)光等，指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)工作的不斷深化。對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4 作出重要貢獻(xiàn)。占本人工作量的50%以上。

4.  徐東升

系統(tǒng)深入地研究了多種多孔硅的制備，表征和光致發(fā)光及其機(jī)制。是中、高多孔度自支撐多孔硅膜的制備與相關(guān)光吸收，喇曼光譜，和光致發(fā)光譜的主要研究者，是多孔硅表面修飾的主要研究者之一。對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2 作出重要貢獻(xiàn)。占本人工作量的60%。

5.  張伯蕊

參與了本項(xiàng)目的全過程。參與了大量的光致和電致發(fā)光光譜的測(cè)量和分析工作。多孔硅制備工藝的主要研究者之一。大氣中長(zhǎng)期存放或低溫氧化的多孔硅發(fā)光峰位會(huì)聚現(xiàn)象的主要發(fā)現(xiàn)者之一。對(duì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2和3作出重要貢獻(xiàn)。占本人工作量的60%。

10篇代表性論文：

1.   Mechanism of the Visible Luminescence in Porous Silicon. Solid StateCommun. 86, 559 (1993).

2.   Visible EL from Semi-transparant Au Film/ Extra Thin Si-rich Silicon Oxide Film / p-Si Structure. J. Appl. Phys.78, 2006 (1995).

3.   A Comparative Study of Ultraviolet Emission with Peak Wavelengths Around 350nm from Oxidized Porous Silicon and that from SiO2 Powder. Appl. Phys. Lett. 69, 1689 (1996).

4.   Experimental Evidence for Luminescence from Si Oxide in Oxidized Porous Si. Phys. Rev.B54, 2548 (1996).

5.   Photoluminescence Mechanism for Blue Light Emitting Porous Silicon. Phys. Rev.B 55, 12876 (1997).

6.   An effect of Si Nanoparticles on Enhancing Er 3+ EL in Si - rich SiO: Er films. Solid State Commun, 118, 599 (2001).

7.   Theory on the QCLC Model for Nanocrystalline and Porous Si. J.Appl. Phys. 82, 2572 (1997).

8.   PL Model for Oxidized Porous Si and Nanoscale -Si Particle - Embedded Silicon Oxide. Phys., Rev. B68, 085309 (2003)

9.   Doble-Peak Structure of Photoluminescence Spectra for Porous Silicon and Its Dependence on Excitation Wavelength. J. Appl. Phys.78, 478

10.  Optical Absorption and PL Studies on Free-Standing Porous Silicon Films with High Porosities. J. Phys. Chem. B 103, 5468