2022 年 12 月出版
科儀新知 第 233 期
人物專訪
國科會自然科學及永續研究發展處－羅夢凡處長：科學更多的時候是你如何想，而不是你看到什麼 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林麗娥
《科儀新知》233 期再度走訪國科會，邀請自然科學及永續研究發展處 (以下簡稱自然處) – 羅夢凡處長，擔任人物專訪嘉賓。羅處長為具有諾貝爾獎搖籃之稱－英國劍橋大學卡文迪許實驗室 (Cavendish Laboratory) 的物理博士。處長在英國念書時，經常翻閱過去偉大科學家的傳記，認識到歷任實驗室主任是如何帶領同儕開拓新的領域，其中最推崇的是第五任卡文迪許主任 – 小布拉格 (William Lawrence Bragg)，處長引用小布拉格傳記中提到一句話：「科學更多的時候是你如何想，而不是你看到什麼。」真正的科學比較像是個「動詞」，用以鼓勵大家保持好奇心，勇敢地創造與探索。
羅處長對於台灣發展有高度的使命感，特別是談到台灣科學發展環境、人才培育等議題時，也著重推廣台灣客家語言文化，經常透過客語來講科學。處長在規劃推動自然處政策時，深受其於英國留學時的養成教育，期望台灣可以多支持基礎科學的發展，累積知識資本、發展新興科技、驅動產業創新，進而帶動國家社會進步。
前瞻二維半導體：材料合成與元件應用
「前瞻二維半導體：材料合成與元件應用」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
張文豪
摩爾定律 (Moore’s Law) 一直是半導體技術發展的黃金法則，現今傳統半導體材料已逼近製程微縮的極限，下一世代的半導體科技，亟需透過操縱材料的新物性或利用材料的新結構，來開創新的發展方向。因此，厚度僅原子等級的二維材料 (two-dimensional material) 被視為突破物理極限且優於矽等傳統半導體材料的潛力之星。
緣此，本期以「前瞻二維半導體：材料合成與元件應用」作為專題，介紹目前相關新興技術的發展與元件應用。專刊內容包含「低維度半導體材料之關鍵技術與應用」介紹一維奈米碳管 (carbon nanotube, CNT) 製備與可控性組裝以及用二維材料 – 石墨烯取代傳統的擴散阻障層，於低溫製程的金屬內連線整合。隨著二維材料種類的陸續發現，迄今已有 1,000 餘種，其中過渡金屬硫化物 (transition metal dichalcogenides, TMDs) 被認為是最有可能應用於積體電路的材料。「二維材料過渡金屬硫化物元件製程及其積層三維整合技術」則發展出低接觸電阻二維過渡金屬硫化物元件和二維材料三維整合技術，提供整合二維材料元件與未來半導體產線可行的製程方向。「二硫化鉬奈米碟於浮閘記憶體的應用」則將單層二硫化鉬 (MoS2) 製作成奈米碟 (nanodisk, ND) 並應用於記憶體元件中的電荷儲存單元，該技術具有相當大的潛力可望應用於下一世代的非揮發性記憶體當中。而 TMD 材料於半導體製程現已可用成熟的製程設備化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD) 來長單層薄膜，「多向進氣化學氣相沉積系統之氣流場數值模擬研究」一文則是在各項不同條件下，根據氣流場的變化與差異，優化腔體內部設計，對於未來化學氣相沉積製程有很大的幫助。然而 CVD 其工作溫度約在 600 – 1000 °C，極大限制了基板的選擇。「二維過渡金屬化合物之生長與轉印技術於半導體產業的發展」，則是介紹沉積薄膜的另一種方法 – 轉印 (transfer)，比較濕式轉印法與乾式轉印法不同技術間的差異及其優缺點。
二維材料除了本身獨特的物理性質具有高度應用性之外，若再與其他材料結合成「異質結構」，將使得二維材料發展性變得更為廣泛與豐富，諸如電子學、光學、半導體、量子資訊和生物醫學等方面的應用，對於未來的產業將帶來破壞式創新。盼透過此專刊，在作者群的介紹下，激發讀者們創新的研究想法與方向，共同投入研發與積極合作，以提升台灣的國際科技競爭力、強化台灣的地緣安全。
低維度半導體材料之關鍵技術與應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
張媛婷, 蘇清源
基於突破性的優異電傳輸特性，低維度奈米材料，包含一維奈米碳管 (carbon nanotube, CNT) 和二維材料 (2D materials) 被評估為未來先進半導體的候選材料。然而，在進入實際的半導體元件整合上仍存在許多瓶頸。這包含晶圓級低缺陷與大面積的定向性合成、可控性組裝等技術仍有待突破。其次，如何與目前矽基半導體製程相容，亦存在許多障礙。本文將介紹低維度材料的合成與組裝之關鍵技術，以及未來元件應用上的獨特優勢。
二維材料過渡金屬硫化物元件製程及其積層三維整合技術 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
藍彥文, 張文豪, 楊弘偉
有別於傳統矽基電晶體為主的半導體產業應用，原子層厚度的二維半導體材料為主的發展也越來越被重視。但由於此技術的發展深深地被材料與金屬電極介面所影響，如能有效地克服接觸電阻所造成的電子傳輸問題，如此便能提供產業實現超高功效電子元件的應用。本文介紹本實驗室所發展出的低接觸電阻二維材料過渡金屬硫化物元件和呈現二維材料積層三維整合技術，如此提供了整合二維材料元件與當今成熟的半導體產線可行的製程方向，可望加速二維材料元件的量產以及其三維異質整合元件。
二硫化鉬奈米碟於浮閘記憶體的應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
戴漢翔, 蘇楊淵, 王哲麒, 賴朝松
隨著製程技術的演進，元件尺寸持續的縮小使得非揮發性記憶體 (nonvolatile memories, NVM) 在特性上面臨著許多挑戰，為此研究人員嘗試提出許多辦法以及結構來解決元件特性劣化的問題。二維材料 (two-dimensional material, 2D material) 由於具有原子等級的厚度且擁有優異的特性使其被視為下一代元件的材料選項之一。在本研究中，我們將單層二硫化鉬 (MoS2) 製作成奈米碟 (nanodisk, ND) 並應用於記憶體元件中的電荷儲存單元，此 MoS2 薄膜是透過低壓化學氣相沉積系統 (low-pressure chemical-vapor-deposition, LPCVD) 沉積於二氧化矽 (SiO2) 薄膜上，使用快速熱退火 (rapid thermal annealing, RTA) 形成的金奈米點 (Au nanoparticles) 當作硬遮罩 (hard mask) 並透過蝕刻製程使 MoS2 形成奈米碟，進一步製作成 MoS2 奈米碟記憶體。此記憶體元件具有 2.45 V 的記憶窗，並且在經過 10 年後僅有 14% 的 電荷流失以及具有超過 8 × 104 次的寫入／抹除 (program/erase)能力。本研究所使用的自我對準 (self-aligned) 技術以及所開發成功的 MoS2 奈米碟記憶體具有相當大的潛力可以應用於下一世代的非揮發性記憶體當中。
多向進氣化學氣相沉積系統之氣流場數值模擬研究 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
陳華琳, 陳維鈞, 陳宏彬, 陳哲勤, 林郁洧, 陳峰志
在化學氣相沉積製程當中，主要仰賴反應所需之反應氣體及前驅物將其引導至設備中，於基材表面進行沉積。由於此項製程與氣流場狀態及反應腔內溫度有關，因此於製程之前，進行腔體內部的氣流場數值模擬分析。本篇主要探討多方向進氣的化學氣相沉積系統內，各項條件不同下，氣流場的變化及差異，依據所得到的結果優化腔體內部設計。
二維過渡金屬硫化合物之生長與轉印技術於半導體產業的發展 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
彭毓仁, 劉明金, 黃昱錡, 闕郁倫
隨著二維材料被發現後，其獨特且迷人的特性及性能揭示了該材料的應用潛力，尤其這十多年的發展中，二維過渡金屬硫化合物 (transition metal dichalcogenides, TMDs) 以其層狀結構、可調性及其應用引起了許多研究人員的興趣，包含電晶體、儲能元件或感測器等。以化學氣相沈積法 (chemical vapor deposition, CVD) 為主的高品質、大面積的材料成長方式亦受到許多關注，本文第一節將著重討論二維過渡金屬硫化合物的成長。但通常仍須將其轉移至目標基板進行後續研究，然而在這過程時常伴隨著不良缺陷如殘留物、皺摺或是氣泡影響材料或導致其電子遷移率降低進而造成元件性能的損失，在第二節將繼續討論二維過渡金屬硫族化合物後續轉印技術，並比較不同技術間的差異及其優缺點。
科儀專欄
ScₓAl₁₋ₓN 壓電共振器實現 5G 毫米波行動通訊積體化 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
洪茂峰, 洪肇蔚
行動通訊為現代人的生活帶來許多便利，而通訊系統中濾波電路決定了通訊品質的良窳。AlN 濾波器因具有可高頻操作、對溫度穩定性高及與 CMOS 製程相匹配等優點，可實現濾波晶片積體化，滿足行動通訊短小輕薄的要求，故為目前製作濾波晶片的主力。但現今行動通訊進展到 5G 境界，要求濾波器能操作於更高的頻率，更大的頻寬，具有信號損漏更低的 Q 值，對此，AlN 濾波器漸露窘態，但有學者發現在 AlN 中摻入 Sc 原子，其造成的應力將使 ScxAl1-xN 產生較 AlN 更好的壓電表現。此一新材料的興起，當然帶來很多研發的挑戰。本文將對 ScAlN 的壓電特性與材料品質的相依性、各式 ScAlN 元件 (BAW、FBAR、LWR、SMR) 的製程與電特性、優化其電特性的方法以及應用於集能元件與高頻通訊系統之潛力等議題作詳細的介紹。
掃描單光應用於高光譜響應量測 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
劉兆峰, 黃紜其, 呂國豪, 翁俊仁, 黃升龍
本文將介紹如何建置與調整掃描單光，並說明此架構所用到的儀器原理與操作，透過 LabVIEW 撰寫人機控制介面，將此系統應用於檢測 HSI 相機的光譜響應量測。實驗架構使用單光儀搭配光學元件建立高解析度的系統，光學元件包含可調狹縫、對焦鏡頭、弧光燈源、濾光片建立而成，實驗中透過光譜儀量測此系統發出的 600 nm 波段的單光，最後將優化後不同波長的單光導入 HSI 相機量測 470－800 nm 波段的光譜響應，觀察發現 HSI 相機的響應的半高寬在 4 nm－8 nm 之間。
磁熱治療的產熱機制及其腫瘤治療應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
張佳瑋, 盧彥蓓, 陳銘福, 吳昆寰, 黃晧庭
靶向磁熱治療在臨床上已被引入作為腫瘤局部治療的替代方案。磁熱治療透過交變磁場激發磁性奈米顆粒發熱攻擊腫瘤細胞，已被證實有諸多優勢，例如，可穿透深層組織進行治療，能選擇性地攻擊腫瘤細胞，且具有高的生物安全性。相較化學與放射治療產生的副作用較為輕微，也不會像手術治療一樣，對身體造成極大的負擔。為了探索靶向磁熱治療潛力與極限，必須進一步深入瞭解磁熱治療的產熱機制及提升腫瘤治療效率的方法。
