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奈米微晶電路可望革新半導體製程

上網時間 : 2006年08月15日

半導體的未來將不再侷限於晶片，取而代之的是在晶片上製造電路，並將之焊接在印刷電路板上，加拿大的研究人員建議了一種直接將透明的‘溶液製程’(solution processed)電路塗佈到元件表面的方法。從大尺寸顯示器用的射極到用於噴渡式太陽能電池的檢測器半導體電路，都能大幅降低電子元件成本。

首個受益的產品可能是軍事用夜視鏡，可能改善約10倍的靈敏度，而且較目前的產品更便宜。但多倫多大學的研究小組表示，這項研究才剛起步。

“我們稍早前提出了首個採用溶液製程的高效能半導體元件，”該研究小組領導人Ted Sargent表示。Sargent是多倫多大學電子工程教授兼加拿大奈米技術研究工程主席。“我們的溶液製程檢測器較傳統磊晶生長的半導體元件靈敏度高出10倍。”

2003年，Sargent的小組展示了首個基於溶液製程的紅外線發射器。去年，他們提出了首個基於溶液製程的紅外線檢測器。然而，與傳統紅外線檢測器晶片相比，其光檢測器的效能卻令人感到沮喪。

“當我們提出首個溶液製程的紅外線光檢測器時，這些元件證實了我們構想。它們的效率遠低於任何成像應用所需要的，”Sargent說。“現在，我們已大幅改良了導電性能，並將檢測器的敏感度改善了兩個數量級(大約是百倍之多)。”

Sargent表示，除了可便宜地量產外，其光檢測器的材料能使當前使用紅外線的軍用夜視鏡靈敏度增加10倍，當然也包括使用紅外線以觀察皮膚下影像的生物成像系統在內。

Sargent獲得了多倫多大學博士研究員Gerasimos Konstantatos的協助，共同進行這項研究。

Sargent的研究小組承諾將加快採用基於溶液製程電路的速度。Sargent聲稱，透過去除有機聚合物並改為採用膠質硫化鉛奈米顆粒(colloidal lead sulphide nanoparticle)，低成本的溶液製程電路能實現與矽晶片相同的效能。

Sargent的有機半導體溶濟原始分子式是一部份的聚合物與一部份的奈米顆粒──這是極微小的‘量子點’，其直徑為2~6奈米，平均分佈在導電性聚合物矩陣中。

由於奈米顆粒比通過它們的電子波長小10倍，因此電子必須再壓縮以符合內部的微小奈米顆粒。此一過程將引發更活躍的半導體行為，如光致電壓(photovoltaic)、光致發光(photoluminescent)與光電導(photoconductive)等效應。

然而，與半導體奈米顆粒相比，聚合物本身的傳導性相對較低，這減小了Sargent的有機溶液製程電路的效率及靈敏性。Sargent試著增加更多奈米顆粒以緩合‘有機問題’，直到他找到了完全消除聚合物矩陣的方法。

現在，Sargent混合了純半導體奈米顆粒與油酸(oleic acid)，並將之旋鍍在玻璃基板上。在浸泡於甲醇中兩小時後，溶濟會蒸發並生成800奈米的純半導體奈米顆粒層。

“我們正進入全新的幾合學與材料混合世代，”Sargent說。“過去，我們一直採用奈米晶體聚合物的複合物，但這是無聚合物的純奈米晶體元件。”

Sargent過去曾提出其檢測器同樣可配置為紅外線太陽能電池的報告，但為了實現純奈米微晶(nanocrystalline)元件的高靈敏度，研究人員放棄了自光產生電能的光致電壓(photovoltaic)方法，轉而針對光電導操作模式配置奈米顆粒，從而減少阻抗並藉由光增強傳導性。

“我們相信，這種材料系統非常適合光電導模式，在照明下其傳導性將獲得提升，”Sargent表示。

(R. Colin Johnson)

posted by C.H. Chen @ 7:20 PM