奈米材料的制程及其潛在的應(yīng)用

1、奈米材料的制程及其潛在的應(yīng)用文/李思毅、李佳穎、曾俊元在著名的物理學(xué)家費(fèi)曼(Richard P. Feynman)對(duì)未來(lái)的詮釋下“Theres plenty of room at the bottom.“，我們所能明了與確切掌握的世界不斷的向前延伸。近年來(lái)，諸多領(lǐng)域隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展而突飛猛進(jìn)，借著向下縮減(Top down)與向上組裝(Bottom up)兩個(gè)主要制作技術(shù)的相輔相成，導(dǎo)致諸如電子、材料、物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的發(fā)展，急劇地邁入了奈米世紀(jì)，向更深遠(yuǎn)的原子領(lǐng)域邊緣前進(jìn)，幾個(gè)重大突破性的相關(guān)研究，更使得奈米技術(shù)在二十一世紀(jì)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷?，F(xiàn)今的奈米技術(shù)跳脫了傳統(tǒng)的單調(diào)制程技術(shù)演進(jìn)過(guò)程，邁

2、入了要知道如何操控與講求精確的需求，這樣的進(jìn)展，值得我們充分的了解。在本文中，我們將對(duì)于奈米制程技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程加以敘述，包括零維、一維、二維結(jié)構(gòu)及材料，并介紹他們的特性及可能的應(yīng)用。一、前言最初期的材料制作方式是一種從上而下的過(guò)程，亦即是一種由大至小的縮減過(guò)程，這樣的過(guò)程以半導(dǎo)體制程的演進(jìn)為例最具代表性。最初的組件尺寸，在發(fā)明初期可以擁有公分級(jí)的尺度，接著迅速的縮減至數(shù)十微米的范圍，此后，隨著摩爾定律的預(yù)測(cè)，進(jìn)行尺寸縮減而制程復(fù)雜度也隨之增加。直至現(xiàn)今，這樣的制作過(guò)程已經(jīng)面臨了很大的瓶頸需要突破，在后摩爾定律時(shí)代，商業(yè)應(yīng)用的組件尺寸在65奈米后遭致極大的制程挑戰(zhàn)。因此在二十世紀(jì)末期，基礎(chǔ)物理學(xué)

3、家所提出的基本原子操控與性質(zhì)控制的技術(shù)被重新的加以提出與研究1，如此造就了一個(gè)全新的世紀(jì)性領(lǐng)域，在邁過(guò)了千禧年之后，許多人即稱這樣的二十一世紀(jì)為奈米世紀(jì)。許多新的應(yīng)用技術(shù)與制作方式如雨后春筍般的紛紛出現(xiàn)，使得奈米領(lǐng)域的應(yīng)用范疇已經(jīng)不單單只是為了半導(dǎo)體制程的需要而開(kāi)發(fā)，在很多的生活應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)藥、生物、化學(xué)與物理等等的應(yīng)用普及化程度都快的讓人驚訝。在本文中我們以現(xiàn)今所具備的奈米技術(shù)為經(jīng)，未來(lái)可能的應(yīng)用范圍為緯，加以評(píng)述，希冀可以針對(duì)奈米材料的各項(xiàng)應(yīng)用與制作的技術(shù)，給一個(gè)清楚而簡(jiǎn)要的介紹。二、向下縮減制程的演進(jìn)整個(gè)半導(dǎo)體組件與集成電路的制程，可以說(shuō)是傳統(tǒng)的向下縮減制程的最佳例證。當(dāng)然制作過(guò)程早先

4、遭遇到許多的困難，經(jīng)過(guò)不斷的改良與制程的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)后，演變至今，在奈米世紀(jì)里，仍然扮演著相當(dāng)吃重的腳色。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的制程過(guò)程，可以概略的區(qū)分為三個(gè)較具代表性的時(shí)期，以制作的線寬來(lái)區(qū)分，分別是微米時(shí)代，次微米時(shí)代與奈米制程。微米時(shí)代在微米時(shí)代的制作技術(shù)，尺寸的限制與挑戰(zhàn)均較為容易，以半導(dǎo)體制程為例，并不需要繁復(fù)的黃光及光罩制作與濕式蝕刻技術(shù)就可以輕易達(dá)到所需要的目標(biāo)(圖一)，這時(shí)期的制作技術(shù)瓶頸一直到了一至二微米附近才遭遇到困難，進(jìn)而導(dǎo)入了多樣化的光罩制作技術(shù)與化學(xué)反應(yīng)電漿干式蝕刻制程。圖一 微米世代的大尺寸雙接面晶體管(BJT, Bipolar junction transistor)次微米世

5、代次微米制程是一個(gè)微米制程的向前延伸，其所面臨的技術(shù)密集層面較微米時(shí)代的制程為繁復(fù)，其中最大的演進(jìn)就在于新一代的黃光技術(shù)與精確的各式蝕刻技術(shù)的導(dǎo)入(圖二)，在堆棧各式不同性質(zhì)薄膜的技術(shù)上，也做了很大的突破與改進(jìn)，各種化學(xué)氣相沉積的技術(shù)取代了傳統(tǒng)的物理沉積方式，此時(shí)八吋晶圓制程被推進(jìn)至十二吋的先進(jìn)制程，以更大的面積，更小的組件尺寸以及更高的良率來(lái)達(dá)到各式消費(fèi)性電子產(chǎn)品的廣大需求。圖二 次微米世代的場(chǎng)效晶體管(MOSFET)截面圖與特性曲線奈米世紀(jì)根據(jù)摩爾定律的推算，組件制程的向下縮減程度與制程復(fù)雜度相當(dāng)，現(xiàn)今的先進(jìn)半導(dǎo)體制程將目標(biāo)大約放在65奈米甚至35奈米左右，這樣的制程條件已經(jīng)相當(dāng)?shù)膰?yán)苛，不

6、是一般傳統(tǒng)的向下縮減制程技術(shù)所能輕易達(dá)到的(圖三)，最后終將會(huì)采用何種制程做為標(biāo)準(zhǔn)化的依據(jù)還難已決定，但是已經(jīng)有許多研究單位與工業(yè)界的領(lǐng)先者，投入大量的資金與人力，試圖為往后的半導(dǎo)體制程技術(shù)謀求新的突破。三、向上組裝與自我組裝在向下縮減制作過(guò)程遭遇到瓶頸之后，以探討材料基本性質(zhì)為主的幾個(gè)制作方式陸續(xù)被提出研究，根據(jù)材料的不同性質(zhì)，精確的控制成長(zhǎng)的方式與型態(tài)，來(lái)達(dá)到應(yīng)用所需的電學(xué)、光學(xué)及物理特性?，F(xiàn)今廣泛應(yīng)用的技術(shù)可以依照所需的型態(tài)不同而加以區(qū)分，以下就針對(duì)不同維度的制作方式與應(yīng)用來(lái)說(shuō)明。圖三 奈米世代的雙鰭狀場(chǎng)效晶體管(Fin-MOSFET)截面圖現(xiàn)今的奈米尺度制作與應(yīng)用技術(shù)，是以泛稱一百奈米

7、以下的領(lǐng)域?yàn)橹?，而以維度上的奈米尺寸來(lái)區(qū)分，若一個(gè)維度的尺寸沒(méi)有被限制在奈米尺度時(shí)稱之為一維奈米結(jié)構(gòu)，這樣的應(yīng)用領(lǐng)域多為一些奈米尺度的奈米棒或是奈米線，以這樣的定義推之，產(chǎn)生了二維的奈米結(jié)構(gòu)如奈米薄膜或積層膜，與零維的量子點(diǎn)或奈米粒子等奈米結(jié)構(gòu)(圖四)。圖四 奈米世代(a)零維，(b)一維，(c)二維之不同奈米結(jié)構(gòu)。(a)(b)(c)零維奈米結(jié)構(gòu)零維奈米結(jié)構(gòu)是在空間中的三個(gè)方向均受到奈米尺度的限制所形成的一種奈米結(jié)構(gòu)包括有奈米粒子和量子點(diǎn)。量子點(diǎn)(quantum dot)是一三維的奈米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說(shuō)，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100奈米(nm)以下，但是并非尺吋小到100奈米

8、以下的材料就是量子點(diǎn)，而是由電子在材料內(nèi)的費(fèi)米波長(zhǎng)來(lái)決定。因?yàn)樵诹孔狱c(diǎn)內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，所以量子局限效應(yīng)(quantum confinement effect)特別顯著。由于量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能階結(jié)構(gòu)，因此量子點(diǎn)又被稱為人造原子(artificial atom)?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來(lái)制造量子點(diǎn)，并預(yù)期這種奈米材料在二十一世紀(jì)的奈米電子學(xué)(nanoelectronics)上有極大的應(yīng)用潛力。量子點(diǎn)可視為電子物質(zhì)波的共振腔，電子在量子點(diǎn)內(nèi)會(huì)有類似電磁波在一般共振腔中的共振現(xiàn)象。當(dāng)局限位能壁(potential wall)較薄時(shí)，量子點(diǎn)中的電子可因穿隧

9、效應(yīng)(tunneling effect)而逃離，我們稱之為開(kāi)放式量子點(diǎn)(open quantum dot)，其類似一開(kāi)放式共振腔(open cavity)，此時(shí)電子能階不再是穩(wěn)態(tài)(stationary state)而是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)(quasi-stationary state)；電子停留在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)約一個(gè)生命周期(lifetime)后，就會(huì)逃離量子點(diǎn)。這類量子點(diǎn)在光電方面也有許多應(yīng)用潛力，例如：可用于藍(lán)光雷射、光感測(cè)組件、單電子晶體管(single electron transistor, SET)、記憶儲(chǔ)存、觸媒以及量子計(jì)算(quantum computing)等，在醫(yī)療上更利用各種發(fā)光波長(zhǎng)不同的

10、量子點(diǎn)制成熒光標(biāo)簽，成為生物檢測(cè)用的奈米條形碼。量子點(diǎn)是目前理論與實(shí)驗(yàn)上的熱門(mén)研究題目，世界各國(guó)無(wú)不積極投入研究，主要領(lǐng)先的國(guó)家有美國(guó)、日本、歐盟及俄羅斯等，臺(tái)灣也正在急起直追中。奈米粒子在電子，磁性和光電應(yīng)用，能源，催化和結(jié)構(gòu)應(yīng)用，以及生物應(yīng)用三方面，在文獻(xiàn)上都有廣泛的報(bào)導(dǎo)2-4，光子晶體就是其中之一，光子晶體早在半個(gè)世紀(jì)前就已經(jīng)為人所研究，晶體(如半導(dǎo)體)中的電子由于受到晶格的周期性位勢(shì)(periodic potential)散射，部份波段因破壞性干涉而形成能隙(energy gap)，導(dǎo)致電子的色散關(guān)系(dispersion relation)呈帶狀分布，此即電子能帶結(jié)構(gòu) (electr

11、onic band structures)(圖五)。然而在公元1987年， Yablonovitch 及John 指出類似的現(xiàn)象也存在于光子的系統(tǒng)之中：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某波段的電磁波強(qiáng)度會(huì)因破壞性干涉而有指數(shù)衰減的情形，在系統(tǒng)內(nèi)無(wú)法傳遞，這相當(dāng)于在頻譜上形成能隙，因此色散關(guān)系也具有一帶狀結(jié)構(gòu)，稱之為光子能帶結(jié)構(gòu)(photonic band structures)。具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光子晶體(photonic crystals)。圖五 光子晶體的缺陷傳播波導(dǎo)示意圖發(fā)展至今，光子晶體的研究，無(wú)論是理論上或?qū)嶒?yàn)上都已有大量的成果出現(xiàn)：在

12、三維方面，光子能隙已在許多晶格結(jié)構(gòu)不同的系統(tǒng)如面心立方、體心立方(body-centered cubic)及其它準(zhǔn)晶格 (quasi-crystal)結(jié)構(gòu)中觀察到；在二維方面，三角(triangular)、四角(square)、蜂巢(honey comb)及其它晶體結(jié)構(gòu)也被證實(shí)具有光能隙的存在。雖然只有完美的光子晶體才可能擁有絕對(duì)能隙，但就應(yīng)用的角色來(lái)看，不完美的光子晶體更具潛力，因?yàn)槠渚邆溆须s質(zhì)態(tài) (impurity state)。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，在二維或三維的光子晶體中加入或移去一些介電物質(zhì)，便可以產(chǎn)生雜質(zhì)或缺陷(defect)。 這與半導(dǎo)體的情況類似，光子系統(tǒng)的雜質(zhì)態(tài)也多半落在能隙

13、內(nèi)，這使原來(lái)被視為禁區(qū)的能隙出現(xiàn)了新的應(yīng)用。能隙具有局限電磁波的能力，而雜質(zhì)使我們有導(dǎo)引電磁波的可能，這點(diǎn)在光電上極具應(yīng)用價(jià)值。因此，在光子晶體相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，目前雜質(zhì)態(tài)是個(gè)重要的研究課題。 對(duì)于一個(gè)雜質(zhì)態(tài)而言，由于雜質(zhì)四周都是光子晶體形成的禁區(qū)，電磁波在空間分布上只能局限在雜質(zhì)附近，因此一個(gè)點(diǎn)狀缺陷(point defect)相當(dāng)于一個(gè)微空腔(micro-cavity) 。如果可以接連制造幾個(gè)點(diǎn)狀缺陷，形成線狀缺陷(line defect)，電磁波便可能沿著這些缺陷傳遞，就相當(dāng)于一個(gè)波導(dǎo)(waveguide)，這對(duì)于未來(lái)的光電子傳輸應(yīng)用上有重要的價(jià)值(圖六)。奈米釋放技術(shù)是奈米粒子在生

14、物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用之一，需要更加精確的控制生物或人體的各種反應(yīng)，我們?cè)诩膊】刂苹蚴沁z傳科學(xué)上才能夠有所突破，奈米生物科技主要重點(diǎn)著重在原子和分子的層次與系統(tǒng)上的創(chuàng)造、操控生物及生物化學(xué)的材料，研發(fā)探索生物體及疾病的奈米傳感器如生物芯片等和生醫(yī)材料的重新建構(gòu)上，不但可作為醫(yī)學(xué)診斷、監(jiān)測(cè)和治療，甚至可控制、改變細(xì)胞基因。奈米生醫(yī)科技的概念，是從物質(zhì)的最基本單位原子和分子層次的操控物質(zhì)，組合出極其微小的新材料和新機(jī)器。圖六 光子晶體的波導(dǎo)構(gòu)成光子電路示意圖而現(xiàn)今的奈米科技確實(shí)具有改變生物醫(yī)學(xué)研究工具的能力。譬如說(shuō)，在發(fā)掘新藥的實(shí)驗(yàn)中，提供新的標(biāo)志方式；或是顯示細(xì)胞在不同情況下，有哪一批基因受到活化。更

15、進(jìn)一步，奈米尺度的器械還能在快速篩檢診斷及基因檢測(cè)中扮演重要的角色，從而顯示某人對(duì)不同疾病的敏感程度。在非侵入式的顯影技術(shù)上，研究人員也想利用奈米粒子作為加強(qiáng)對(duì)比的物質(zhì)，以及當(dāng)作投藥的載具。在一塊非常?。ń咏粋€(gè)蛋白質(zhì)分子）的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體上雕刻出奈米晶體，或是稱作為一個(gè)量子點(diǎn)。一如磁性奈米顆粒，也對(duì)生物醫(yī)學(xué)的研究者可是有很大的用處。顧名思義，量子點(diǎn)或奈米粒的特性與量子力學(xué)的規(guī)則有關(guān)；相同的規(guī)則也將原子里的電子限制在某些特定能階。利用量子點(diǎn)與奈米粒放出光線的波長(zhǎng)與粒子大小的密切關(guān)系而來(lái)產(chǎn)生一整個(gè)系列的有色卷標(biāo)(圖七)，就可作為醫(yī)學(xué)上的顯示指示劑之用。一維奈米結(jié)構(gòu)若同時(shí)在兩個(gè)維度上受到限制，此種奈米

16、材料的型態(tài)即為線形的型態(tài)，這樣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域包括微型半導(dǎo)體組件制作，如單電子晶體管，場(chǎng)效晶體管等。微型光電組件如光子晶體，以及奈米雷射組件的應(yīng)用，在未來(lái)前瞻顯示組件可以藉助一些特殊材料的絕佳場(chǎng)發(fā)射特性，導(dǎo)入奈米線型結(jié)構(gòu)來(lái)得到最佳的效果。圖七 生物型奈米醫(yī)學(xué)應(yīng)用的顯示指示劑較為人所知的奈米線型材料，是在1991年飯島臣男博士所發(fā)現(xiàn)的奈米碳管(圖八)，此后奈米碳管的研究與應(yīng)用也就是許多科學(xué)界的頂尖研究團(tuán)隊(duì)紛紛投注很大心力研究的領(lǐng)域，奈米碳管不但具備有質(zhì)輕與高強(qiáng)度的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)適度的改變碳原子的順序，還可擁有導(dǎo)體或半導(dǎo)體的特性，這些特殊的材料特性，使得許多團(tuán)隊(duì)認(rèn)為奈米碳管可能是未來(lái)材料應(yīng)用界的超級(jí)明星

17、5-6。一維奈米結(jié)構(gòu)的線型材料可以概略的分為純金屬與金屬氧化物兩大類別，純金屬型態(tài)的奈米線型材料如金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)等，在未來(lái)可以進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)成為集成電路的內(nèi)聯(lián)機(jī)之用，亦或可以藉助其沒(méi)有缺陷的自我組裝過(guò)程所產(chǎn)生的高強(qiáng)度特性，在微型機(jī)械領(lǐng)域有著極佳的發(fā)展?jié)摿?圖九)。在金屬氧化物的奈米線型結(jié)構(gòu)之中，以幾個(gè)寬帶帶(wide band gap)的材料，如氧化銦(In2O3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化錫(SnO2)等最具代表性，其中氧化銦及氧化鋅本身具備有二六族半導(dǎo)體的特性，在光學(xué)激發(fā)的應(yīng)用范疇上，有著很廣泛的研究?jī)r(jià)值。以氧化鋅奈米線而言，其在光學(xué)激

18、發(fā)的頻段屬于紫外光的范圍，在制作短波長(zhǎng)的奈米雷射組件上將會(huì)有相當(dāng)杰出的表現(xiàn)，而且以此種奈米線作為場(chǎng)發(fā)射顯示組件的研究也正在積極的進(jìn)行(圖十)，利用氧化鋅所具備的寬能帶與激發(fā)特性，初步發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)某砷L(zhǎng)型態(tài)與結(jié)晶方向的調(diào)控，加上精確的載氣氣流控制，使得載氣氣流是一平順且一致的流動(dòng)層，使用氣液固法(Vapor-Liquid-Solid process)可以制圖八 奈米碳管的結(jié)構(gòu)與群集結(jié)構(gòu)圖。圖九 銀奈米線的結(jié)構(gòu)與群集結(jié)構(gòu)圖。作出單晶且方向一致性的氧化鋅奈米線數(shù)組，其場(chǎng)發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓與激發(fā)電流都明顯的較其它的二六族材料來(lái)的杰出，甚至有趨近于以奈米碳管制作的場(chǎng)發(fā)射組件的質(zhì)量，這樣的研究結(jié)果相當(dāng)?shù)牧钊苏?/p>

19、奮與鼓舞。此外，對(duì)于氧化鋅奈米線的成長(zhǎng)控制方面，由于不同氣體的黏滯系數(shù)會(huì)對(duì)成長(zhǎng)環(huán)境造成一定程度的影響，較小的黏滯系數(shù)將擁有較薄的邊界層，導(dǎo)致氧化鋅奈米線成長(zhǎng)的直徑下降，因直徑下降而使得其在光學(xué)與電學(xué)的激發(fā)行為，更趨于量子化的結(jié)果，目前本研究圖十 氧化鋅奈米線的場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)。室所能成長(zhǎng)的氧化鋅奈米線尚未達(dá)到可以產(chǎn)生量子效應(yīng)的尺寸需求，但已可以藉由不同氣氛來(lái)調(diào)整所需要的線徑大小，范圍大約在30至120奈米之間(圖十一)7-8?，F(xiàn)今以氧化鋅奈米線的研制而言，如何增加氧化鋅奈米線的電導(dǎo)度，多層次摻雜的技術(shù)以增進(jìn)其在電學(xué)特性上的應(yīng)用，能源轉(zhuǎn)換的組件應(yīng)用上的研究，配合不同的透光與反射的機(jī)制制作光電轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能

20、組件等。以上幾個(gè)方向都是大家正在積極努力的目標(biāo)，希望可以制作出質(zhì)量良好的二維奈米結(jié)構(gòu)，同時(shí)也尋求更為有效而廣泛的應(yīng)用。除了氣液固法，其它發(fā)表的成長(zhǎng)方式，有使用陽(yáng)極氧化之氧化鋁模板(AAO template)為支架基礎(chǔ)，填入一些金屬氧化物材料，再經(jīng)過(guò)熱處理等手續(xù)來(lái)制成一些金屬氧化物奈米線，也是一種可以大量制作奈米線的方式之一，同時(shí)，這樣的方式可對(duì)奈米線材料作添加處理，以增進(jìn)其導(dǎo)電度或是改變其半導(dǎo)體特性，對(duì)于制作出下一世代的奈米級(jí)晶體管或是單電子晶體管的組件應(yīng)用上，相當(dāng)?shù)木哂邪l(fā)展?jié)摿?圖十二)。利用化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方式也是制作氧化鋅奈米線的技術(shù)之一，這樣的方法是采用一些有機(jī)金屬源為起始

21、原料，在載氣氣氛中進(jìn)行化學(xué)的取代和置換的行為，進(jìn)而制作出氧化鋅奈米線，這方法可以精確的控制其所成長(zhǎng)出的奈米線高度及大小，但是在氣相沉積的過(guò)程之中，存在有化學(xué)成分比例難以控制的缺點(diǎn)，目前在實(shí)驗(yàn)室的研究階段，距離商業(yè)化的規(guī)模仍有一段距離需要進(jìn)一步的改良與開(kāi)發(fā)(圖十三)。圖十一 氣氛控制下的不同線徑之氧化鋅奈米線二維奈米結(jié)構(gòu)這一類型的奈米結(jié)構(gòu)，屬于薄膜的型態(tài)，亦即在水平的方向(X與Y軸)并未受到奈米尺度的限制，而在Z軸的方向上有著奈米尺度的表現(xiàn)，此等型態(tài)的奈米結(jié)構(gòu)在集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域之中，被廣泛的大量使用在電容組件，超薄閘極氧化層，絕緣層方面，均有相當(dāng)突破性的表現(xiàn)與發(fā)展9-11，另外，新型態(tài)的透光導(dǎo)

22、電層或液晶配向?qū)拥膽?yīng)用在現(xiàn)今相當(dāng)熱門(mén)的液晶顯示器產(chǎn)業(yè)中，在能源應(yīng)用的領(lǐng)域上，也試圖使用這些性質(zhì)突出的奈米級(jí)薄膜，得到高性能的效果(圖十四)。以電容組件而言，要制作出介電系數(shù)高同時(shí)具備低電流密度的奈米級(jí)薄膜，是許多研究者持續(xù)努力改進(jìn)之處12。圖十二 單電子晶體管的穿透式電子顯微鏡圖像圖十三 MOCVD成長(zhǎng)之氧化鋅奈米線光學(xué)性質(zhì)與穿透式電子圖像四、無(wú)限可能的奈米世紀(jì)由于奈米科技對(duì)產(chǎn)品性能的改進(jìn)和制造的發(fā)展，預(yù)期在新世紀(jì)會(huì)引起許多產(chǎn)業(yè)革命，現(xiàn)以發(fā)展迅速的奈米線型材料為例，說(shuō)明其在未來(lái)光學(xué)與電學(xué)甚至半導(dǎo)體工業(yè)的可能應(yīng)用。圖十四 奈米世代的超薄奈米極積層膜截面圖。以光學(xué)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，許多先前作為發(fā)光材料的

23、二六族或是三五族半導(dǎo)體材料，如氧化鋅，硒化鋅，氮化砷等等，均是極為有潛力的奈米光學(xué)材料，以氧化鋅奈米棒為例，研究結(jié)果顯示其為一種優(yōu)異的奈米雷射材料，其所被激發(fā)的波長(zhǎng)頻段又位于短波長(zhǎng)范圍的紫外光頻段，這對(duì)于發(fā)展短波長(zhǎng)奈米雷射組件的應(yīng)用相當(dāng)合適，利用其線型特性，將激發(fā)光源耦合至這一奈米尺度的微型共振腔之中，透過(guò)完美單晶晶體的多次震蕩，而激發(fā)產(chǎn)生出雷射效應(yīng)，如能制作成紫外光頻段的奈米雷射，可供為光學(xué)組件的讀寫(xiě)機(jī)或是記憶儲(chǔ)存的讀取組件之用，因其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)亩蹋虼丝梢源蠓奶嵘畔⑽凰軆?chǔ)存的容量與傳輸?shù)臄?shù)量。此外，氧化鋅奈米線在其它的光學(xué)應(yīng)用還包括在太陽(yáng)能儲(chǔ)能組件應(yīng)用，是利用氧化鋅光吸收特性，設(shè)計(jì)出新

24、型的太陽(yáng)能儲(chǔ)能組件，再配合技術(shù)成熟的多晶硅太陽(yáng)能電池制程，即可制作出轉(zhuǎn)換效率較高的奈米太陽(yáng)能電池。再者，因氧化鋅材料本身具有的高透光性，可經(jīng)添加其它元素而來(lái)改善其電阻率來(lái)制作出導(dǎo)電性良好透光性佳的透明導(dǎo)電內(nèi)聯(lián)機(jī)，在以面積與效能成正比的太陽(yáng)能電池發(fā)電應(yīng)用上，更具有潛在的價(jià)值(圖十五)。此外線型材料中的量子效應(yīng)近幾年也不斷的被提出討論，借著不同的局限理論，我們可以探討有不圖十五 (a)奈米太陽(yáng)能電池的應(yīng)用與(b)原理及特性分析圖同的添加物在氧化鋅奈米線里的量子化行為，期能對(duì)其量子效應(yīng)能有進(jìn)一步的了解而開(kāi)展出更好的應(yīng)用。以電學(xué)應(yīng)用而言，可以分為下列幾個(gè)方向，在基礎(chǔ)的電學(xué)性質(zhì)探討上，透過(guò)材料本身的改質(zhì)

25、工程，試圖制作出一系列的不同半導(dǎo)體接面，例如金屬半導(dǎo)體接面，正負(fù)型(PN)接面，異質(zhì)接面等，在線型的奈米材料上，在如此小的范圍內(nèi)所形成的接面，其電子的行為可能十分有趣而引起廣泛的討論，相關(guān)基本物理性質(zhì)的建立，有助于將來(lái)奈米電子領(lǐng)域的延伸與擴(kuò)張。舉例來(lái)說(shuō)，已有報(bào)導(dǎo)透過(guò)不同的添加物添加制程，氧化鋅奈米線可制作出具有周期性的量子井結(jié)構(gòu)，并量測(cè)這類量子井諸多特性，目前積極進(jìn)行的PN接面制作上，有待進(jìn)一步的探討，根據(jù)報(bào)導(dǎo)已能在P型的超薄奈米薄膜上成功的成長(zhǎng)N型的氧化鋅奈米線數(shù)組(圖十六)，且得到初步的電學(xué)特性量測(cè)結(jié)果，這些研究最終的目的是希望可以尋求一個(gè)穩(wěn)定且可靠度佳的添加物制程，在同一線型結(jié)構(gòu)上能夠制

26、作出同時(shí)具備P型與N型的奈米線13-14。在奈米電子系統(tǒng)的研究上，近年來(lái)也是大家積極投入的目標(biāo)之一，許多研究團(tuán)隊(duì)試圖以幾個(gè)簡(jiǎn)單的線型排列方式，組成幾何簡(jiǎn)單的邏輯電路，且能進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算與執(zhí)行功能，這種電路預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)可望整合進(jìn)入現(xiàn)今的半導(dǎo)體制程所制作的電子電路組件之中，目前在這一方面的研究已提出很多極具創(chuàng)新想法與實(shí)驗(yàn)(圖十七)，預(yù)期可以利用這些方式迅速的縮小組件的尺寸，在未來(lái)以微型化為主的制作領(lǐng)域有相當(dāng)大的激勵(lì)作用，然而，如何將這樣的觀念與制作方式能夠大量復(fù)制，以因應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中一定會(huì)遭遇的良率與成本控制的課題，則是這樣的研究尚待克服的瓶頸，因?yàn)槲ㄓ心軌驅(qū)嶋H大量制造與應(yīng)用才能在未來(lái)的商業(yè)化

27、過(guò)程中，占有一席之地15-16。圖十六 添加Ga的氧化鋅奈米線電致發(fā)光與型態(tài)另外，在大面積的奈米線數(shù)組研究與應(yīng)用領(lǐng)域方面，著重于未來(lái)的平面顯示器的面板應(yīng)用范疇，利用氧化鋅奈米線的場(chǎng)發(fā)射特性與發(fā)光特性，將來(lái)極有可能應(yīng)用在顯示器上(圖十八)。圖十七 磷化銦奈米線構(gòu)成的簡(jiǎn)單邏輯電路圖十八 針尖型態(tài)之奈米線的良好場(chǎng)發(fā)射特性分析舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)今的制作技術(shù)，可以將氧化鋅奈米線的場(chǎng)發(fā)射激發(fā)電場(chǎng)下降至接近至與奈米碳管相同但能達(dá)到與奈米碳管相近的激發(fā)電流密度，這樣的技術(shù)可能應(yīng)用到下一世代的平面顯示器技術(shù)之上，但仍需要許多其它方面的配合制程，有待掌握的技術(shù)包括精確定位的成長(zhǎng)技術(shù)，幾何型態(tài)上的準(zhǔn)確控制，物理特性與材料

28、特性的掌握等，在精確定位的技術(shù)上，應(yīng)會(huì)引入半導(dǎo)體制程中成熟的黃光與光罩技術(shù)，利用先行定位的觸媒金屬奈米級(jí)顆?；蚴蔷Ш俗鳛槎ㄎ坏囊罁?jù)，再將氧化鋅奈米線制作在所需的位置之上，如此可以將現(xiàn)今的氧化鋅奈米線制程導(dǎo)入組件應(yīng)用的領(lǐng)域(圖十九)，再者，關(guān)于幾何型態(tài)的控制方面，也可以從幾個(gè)方面加以著手，一是在觸媒金屬的氣液固制程中設(shè)法引入較小的觸媒金屬顆粒，利用奈米級(jí)顆粒微型化來(lái)制作出線徑較小的奈米線，如此可以提高激發(fā)的電流密度，而能大幅的降低所需要的能量密度，進(jìn)而達(dá)到省能及環(huán)保的需求(圖二十)，二是在傳統(tǒng)的觸媒金屬材料上加以改良，利用不同的金屬合金溫度的差異，造成氧化鋅奈米線成長(zhǎng)的型態(tài)有所改變，期能從傳統(tǒng)常

29、見(jiàn)的棒狀線型轉(zhuǎn)變而成為針狀線型，如此可以縮小在激發(fā)電流中所需要考慮的有效激發(fā)面積，進(jìn)而大幅的提高可能的激發(fā)電流密度或是激發(fā)光的能量密度(圖二十一)，三是改變制作過(guò)程中的基板種類，不同種類的基板將會(huì)對(duì)氧化鋅奈線的成長(zhǎng)狀況有影響，基板本身的結(jié)晶方向與表面平整程度都可以考慮為調(diào)整的因素，可以利用先前已經(jīng)開(kāi)發(fā)相當(dāng)完善的積層膜制程來(lái)配合，針對(duì)所需要的結(jié)構(gòu)與型態(tài)來(lái)制作不同的氧化鋅奈米線數(shù)組。圖十九 氧化鋅奈米線的定位成長(zhǎng)圖形此外，另一個(gè)方向的思考與研究重點(diǎn)在于使用一些自我組裝或是外在控制的添加方式來(lái)增強(qiáng)氧化鋅奈米線的性能(圖二十二)，再用其制作半導(dǎo)體電子組件，而來(lái)提高其功效，或許可以利用二六族半導(dǎo)體在光電

30、領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)隨著操作頻段愈來(lái)愈高而導(dǎo)入光學(xué)領(lǐng)域時(shí)，透過(guò)許多有潛力的光電整合概念，集合相關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)與成果，應(yīng)用于此領(lǐng)域來(lái)發(fā)展創(chuàng)造出下一世代的奈米電子世紀(jì)。圖二十 氧化鋅奈米線的較大間距成長(zhǎng)圖形圖二十一 針尖狀氧化鋅奈米線的成長(zhǎng)圖形五、結(jié)論以一維線型的奈米材料來(lái)說(shuō)，在氧化鋅奈米棒在顯示器方面的應(yīng)用，預(yù)計(jì)將利用氧化鋅奈米棒在紫外光頻段的短波長(zhǎng)發(fā)光特性，朝著作為大面積平面顯示器或場(chǎng)發(fā)射組件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究，此外，奈米等級(jí)的氧化鋅奈米棒雷射也在積極研發(fā)中，將使用在光子晶體之共振腔或短波長(zhǎng)雷射檢測(cè)，同時(shí)，也有研究團(tuán)隊(duì)圖二十二 周期性的氧化鋅奈米線的成長(zhǎng)圖形希藉由電學(xué)特性參數(shù)的萃取與計(jì)算，尋找出氧化鋅

31、奈米棒電致發(fā)光的根本機(jī)制，設(shè)計(jì)出電致發(fā)光特性優(yōu)良的氧化鋅奈米棒，以供未來(lái)的奈米光電或奈米電學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。其它諸多形式的奈米材料與結(jié)構(gòu)，也是值得深入研究的領(lǐng)域，在零維結(jié)構(gòu)中的新型奈米顆粒制作與應(yīng)用方向，諸如奈米顆粒的有序排列與特定位置的置放及分散技術(shù)，還有本身材料制作過(guò)程與新制程方法的開(kāi)發(fā)，都是需要再進(jìn)一步研究的重點(diǎn)，以奈米顆粒的排列與布放為例，如果可以加以控制，不但可以經(jīng)由位置的控制將光加以導(dǎo)入或成為一光學(xué)的波導(dǎo)3-4，同時(shí)也可以經(jīng)由位置的控制，作為其它奈米結(jié)構(gòu)制作的前趨過(guò)程(圖二十三)。奈米級(jí)薄膜的技術(shù)開(kāi)發(fā)極為重要，因?yàn)樗谖磥?lái)積極發(fā)展的集成電路制程扮演極關(guān)鍵的角色，面對(duì)奈米世紀(jì)的來(lái)臨，如何在

32、不斷微型化的集成電路制程里提供高效率與高性能同時(shí)高可靠度的超薄各型薄膜，是奈米結(jié)構(gòu)與材料研究學(xué)者與團(tuán)隊(duì)最迫切的工作之一，預(yù)期這樣的制作技術(shù)將被研發(fā)成功并正式加入集成電路的生產(chǎn)流程可把現(xiàn)今的集成電路制作技術(shù)拓展至奈米尺度的微型領(lǐng)域，朝著35奈米甚至更極限的線圖二十三 (a)氧化硅的多孔奈米結(jié)構(gòu)與(b)三維堆棧之奈米顆粒(a)(b)寬挑戰(zhàn)，制作出性能更為杰出且尺寸更小的各式電子電路組件。綜合來(lái)說(shuō)，采用奈米科技的技術(shù)將現(xiàn)今的硅集成電路制程和三五族光電組件制程加以改進(jìn)與創(chuàng)新，預(yù)期在電學(xué)與光學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域內(nèi)都會(huì)有極大的突破與發(fā)展。六、致謝感謝國(guó)科會(huì)、交大奈米中心、國(guó)家奈米組件實(shí)驗(yàn)室、中興大學(xué)奈米中心與工研

33、院材料所復(fù)光組于研究上的協(xié)助與建議。七、參考數(shù)據(jù)1 Mon-Shu Ho, I. S. Huang, and T. T. Tsong, Phys. Rev. Lett., 84, 5792, (2000)2 T. Y. Tseng and J. C. Lin, IEEE Trans. on Magnetics,25, 4405, (1989)3 T. Y. Tseng and J. J. Yu, J. Mater. Sci., 21, 3615 (1986)4 K. P. Jayadeven and T. Y. Tseng, Encyclopedia of nanoscience & nanotechnology, edited by H. S. Nalwa, Am. Sci. Publisher, Vol. 8, 333, (2004)5 M. H. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Yan, Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo, P. Yang, Science, 292, 1897 (2001).6Y.