纳米硅／氧化硅材料体系发光及其物理机制
项目简介
该项目由北京大学等单位完成，一是指出了氧化硅中发光中心可在氧化多孔硅和纳米硅镶嵌氧化硅的光致发光（PL）中起关键作用。提出量子限制－发光中心(QCLC)模型：光激发发生在纳米硅中，而光发射发生在氧化硅中紧邻纳米硅的发光中心(杂质或缺陷)上（1993）。首次将氧化硅发光中心和纳米硅两者的作用结合起来，解释了当时占统治地位的QC模型难以解释的一些实验。
二是发现Au/自然氧化硅/p-Si（1994）和Au/富硅氧化硅/p-Si（1995）正向偏置下电致发光（EL）。首次指出EL可源于氧化硅发光中心。发现Au/富硅氧化硅/n＋-Si (1997) 和Au/自然氧化硅/p＋-Si（或n＋-Si）(1998) 的反向偏置EL。发现低阈值电压下热处理ITO/自然氧化硅/p-Si的360nm紫外EL（1999）。据知，这是波长最短的硅基EL。首次将（氧化硅/硅/氧化硅）单阱双垒这个基本量子结构引入EL研究（1999）。对于氧化硅中掺Er的纳米硅/氧化硅体系，首次实验证明纳米硅能加强其1.54微米EL，降低阈值电压（2001）。
三是建立并不断完善同时考虑氧化硅发光中心和纳米硅作用的纳米硅/体系的PL和EL定量理论（1997-2003）。
因其所提出的发光机制被许多实验证实为纳米硅/氧化硅体系的一种重要发光机制，QCLC模型受到国际学术界广泛承认。
该项目在纳米硅/氧化硅材料体系发光领域内总体水平国际先进。其中，纳米硅/氧化硅材料体系的光致发光机制，电致发光结构多样性和发光机制，和近紫外发光方面的成果居国际领先地位。
项目背景
硅是微电子学的关键材料，但由于具有间接能带结构，发光效率很低，长期以来被认为不适于光电子应用。
1990年多孔硅的强室温可见光的发现使人们看到了硅被应用于光电子学的可能性(Canham, Appl. Phys. Lett 57, 1046), 在国际范围引发了硅基发光研究的热潮。其直接目标是实现高效的硅基电致发光和激光，终极目标是在硅芯片上实现微/纳电子学器件和光子学器件集成，以光子代替电子作为信息载体。
1996年 氧化多孔硅制作的发光二极管与晶体管被集成于硅芯片(Hirschman et al, Nature 384, 338 )；
2000年纳米硅镶嵌氧化硅的光放大现象 (Pavesi, Nature 408, 440)；
2003年 掺Er的富硅氧化硅电致发光的外量子效率达10%，但很不稳定 (Castagana, Physica E 16,547) ；
纳米硅/氧化硅材料体系(包括…)，被认为最有希望实现高效硅基电致发光和电泵激光之一，研究最多和最深入。
2005年初 Intel公司硅光子学实验室实现了可与微电子集成在一起的光泵硅喇曼脉冲激光 ( Rong et al, Nature 433, 292) 。随后实现了光泵硅喇曼连续激光(Rong et al, Nature 433, 725)。
高效硅基电致发光和电泵激光是世界范围内有待攻克的堡垒。
该项目在纳米硅/氧化硅材料体系发光领域内总体水平国际先进。其中，纳米硅/氧化硅材料体系的光致发光机制，电致发光结构多样性和发光机制，和近紫外发光方面的成果居国际领先地位。
主要科学发现及创新
一、光致发光
1993年,提出量子限制－发光中心(QCLC)模型(Quantum Confinement/Luminescence Centers)。
纳米硅/氧化硅体系是一个复杂体系，以多孔硅为例，国际上先后提出过几十种发光的物理模型。
1.多孔硅的光致发光模型
26 种(不完全统计)
目前广泛承认的两种：QC 模型和QCLC 模型
2. 量子限制－发光中心 (QCLC) 模型
1993年,在国际上,首次在发光问题上将纳米硅和氧化硅发光中心紧密联系起来。首次指出氧化多孔硅与纳米硅镶嵌氧化硅两者具有共同的发光机制。
3. QCLC之应用
根据我们在1993年提出的量子限制－发光中心（QCLC）模型，为了提高发光的强度，至少有两条途径：引入高密度的尺寸合宜的纳米硅;在氧化硅中引进高密度的高效率发光中心，而尽量减少非辐射中心的引入。
二、电致发光
1.1994年, 发现起源于氧化硅发光中心的电致发光 半透明金Au /自然氧化硅/p-Si（Superlattices and Microstructures. 16, 387 (1994)）去掉自然氧化硅层，不发光；把p-Si换成n-Si 也不发光; 指出：电致发光也源于氧化硅中发光中心。
Au/富硅氧化硅/p-Si（J. Appl. Phys.78, 2006 （1995））的正向偏置下的电致发光。
2.发现反向偏置下起源于氧化硅发光中心的EL结构：
*Au/富硅氧化硅/n+-Si
Au/自然氧化硅/p+-Si
Au/自然氧化硅/n+-Si
正向偏置EL的不同在于：反向偏置EL是以雪崩击穿为前提的。反向偏置下注入的少量载流子通过雪崩击穿产生大量电子－空穴对，它们在氧化硅发光中心上复合发光。
物理学报 46, 1011 (1997) 、Thin Solid Films 325, 137 (1998) 、J. Phys.: Condens. Matter 10, L717 (1998).
3.在氧化硅层中引入发光中心
在氧化硅中引入发光中心来Er，导致 Er 的
4.(SiO2/Si/ SiO2)单阱双垒电致发光
项目承担单位及推荐单位
项目承担单位：北京大学等
单位地址：北京市海淀区颐和园路1号
邮编：100080
电话号码：62751618
网址：http://www.pku.edu.cn/
项目提供单位：北京市科学技术奖励工作办公室
地址：西直门大街16号（市科委院内北楼104、105房间）
邮编：100035
联系电话：66186832、66188227