¸ è造技術，發展矽薄膜及異質結構太陽能...
TRANSCRIPT
奈米通訊NANO COMMUNICATION
16卷 NO 2
CONTENTS
02 主題文章 1
矽基薄膜於太陽能電池之應用 沈昌宏 thinsp謝嘉民
08 主題文章 2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製 劉建惟 thinsp李彥希 thinsp戴寶通
14 主題文章 3
奈米晶矽在太陽能電池之應用 曾治國 thinsp李明昌
19 主題文章 4
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的 光電特性探討
黃俊達 thinsp卓其何
24 主題文章 5
發展軟式大面積有機混成 太陽能電池模組 蕭育仁蔡來福劉建惟周勝鴻謝嘉民戴寶通
29 主題文章 6
高效率 IIIndashV族化合物太陽能電池 之發展近況 薛丁仁
34 主題文章 7
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材 設計 1times 3可調式光波導衰減器 莊文魁 thinsp廖振良
40 奈米科技專論園地
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料 在超疏水至親水間溼潤性控制 之探討與應用 林漢清
45 相關學術會議報導 1
2009奈米元件技術研討會 黃心寧
48 相關學術會議報導 2
215th ECS Meeting 國際學術會議報導 吳世全
49 相關學術會議報導 3
第 59屆 電子零件與技術會議報導 黃國威
50 相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導 謝嘉民游文謙
52 活動紀實
資源分享以共創半導體產業 與奈米科技領域的競爭優勢－ 98年使用者 合作研究座談會 謝佩玲
16卷No2 | 200906
編者的話
鑑於現今全世界能源儲存量已經亮起紅燈且隨著社會經濟的發展和人民生活水準的提高對能源
的需求量不斷增長耗盡自然資源造成能源危機外也因過度地使用傳統能源資源導致全球溫室效應因
此開發各類新能源及可再生能源並且提高其使用程度已成為必然趨勢由於太陽能是一種非常潔淨的能
源不會產生廢料煙霧氣味和噪音也不會對水空氣和地面產生任何污染同時它的供應永無止盡
因此被譽為能源的明日之星本期的奈米通訊很高興能以「奈米能源」為主題邀請到七組學研專家分
別介紹各類的矽奈米材料應用至太陽能電池的發展及結果並討論有機及 IIIndashV族太陽能電池的發展近況
及成果期望讀者在各篇精彩的文章介紹下能對太陽能電池有更深入的認識
本期第一篇文章為本人謝嘉民博士研究團隊的「矽基薄膜於太陽能電池之應用」文中介紹本團隊利
用開發多年之低溫低成本高品質之矽基薄膜技術完成三種矽基太陽能電池的製造平台可供新材料
及技術的驗證第二篇文章為戴寶通博士研究團隊的「矽奈米線薄膜太陽能電池之研製」文章說明如何
利用氣 ndash液 ndash固成長技術達成大面積成長具超高比表面積低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽奈米
線並實際驗證矽奈米線太陽能電池的元件特性第三篇文章為李明昌教授研究團隊的「奈米晶矽在太陽
能電池之應用」文中探討探討奈米晶矽（Nanocrystal Silicon）的光電特性及將這些結構化奈米晶矽薄
膜應用於矽太陽能電池的吸收層來產生更高轉換效率的作法其實驗結果顯示出在經外加電場處理過後
的樣品在光激發光譜有增強的成果預期可將此技術應用於奈米晶矽太陽能電池第四篇文章為黃俊達教
授研究團隊的「V 型多孔矽 nndash型矽基板異質接面的光電特性探討」則提供以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型多孔矽的成果發現 V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極化方法
所得到的單層多孔矽比較有較大的光吸收且在波長 300～ 900 nm範圍內 V型多孔矽的反射率低於 1
這些優點使 V型多孔矽可用在薄層轉移薄膜型太陽電池中當作良好的光吸收主動層第五篇文章為
戴寶通博士研究團隊的「發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組」內容則介紹如何利用大面積旋轉塗
佈技術開發有機混成太陽能電池模組於可撓式基板上使其具備有高效能長壽命低成本及大面積製
造的能力並製作面積 100 cm2以上之可撓式電池模組及測試第六篇文章為薛丁仁博士的「高效率 IIIndash
V族化合物太陽能電池之發展近況」內容說明直接能隙的 IIIndashV族化合物半導體最有潛力發展高效率太陽
能電池其能隙範圍將包含整個可見光波段可大幅提升太陽能轉換效率第七篇文章為莊文魁教授研究
團隊的「利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計 1times3可調式光波導衰減器」內容說明利用多模干涉效
應為原理並藉由熱光效應（Thermooptic Effect）去改變加熱區的自我成像之相位差的方式設計出 1times3可
調式光波導衰減器
最後我們希望本刊主題專文能讓讀者對能源技術有興趣的讀者了解最新太陽能電池技術的發展與
挑戰進而投入能源的研究事業可為台灣的太陽能技術盡一份心力
謝嘉民總編輯
EDITORS LETTER
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用Applications of Sindashbased Thin Films in Solar Cells
沈昌宏thinspthinsp謝嘉民國家奈米元件實驗室
矽基太陽能電池 SindashBased Solar Cell 高密度電漿及熱線化學氣相沉積 HighndashDensity Plasma and HotndashWire ChemicalndashVaporndashDeposition
穿透導電膜 Transparent Conduction Oxide TCO
關鍵詞 Keywords
隨著能源議題逐漸被受重視太陽能
電池的發展也日趨重要此篇文章將
介紹國家奈米元件實驗室（N D L）利
用開發多年之低溫低成本高品質之
矽基薄膜技術發展矽基太陽能電池
並專注在以高密度電漿化學氣相沈積
（H D P C V D）及熱線化學氣相沉積
（H W C V D）成長各型態的矽薄膜製
造技術發展矽薄膜及異質結構太陽能
電池並以提升透明導電膜的導電率及
穿透率的方式將太陽能電池的製程最
佳化現在N D L已完成三種矽基太陽
能電池的製造平台可供新材料及技術的
驗證
As the energy issues gradually attract increasing attentions the
development of solar cells becomes more important This article
will introduce that NDL utilize low cost low temperature
high quality siliconndashbased thin film deposition technique to
develop high efficiency heterostructure crystalline Si solar cell
The project was focused on silicon based thin film deposition
technique development by using HWCVD and HDPCVD to
develop Si thin film solar cell and heterostructure Si solar cell The
optimum of solar cell fabrication would achieved by improving
TCO transparence and conductivity Now three kinds of solar
cell platforms are available for demonstration of new materials and
structure in applications of solar cells
主題文章 1
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
平均轉換效率約 165～ 18但太陽能電池成本不易降
低且效率不易提高導致發電成本不易降低至 1 $W而
取代現有發電技術矽薄膜型太陽能電池 [3ndash6]具有低原
料需求節省材料成本重量輕可大面積製造甚至可
撓曲的特性等優點目前國際間各太陽能電池大廠與技
術研發團隊積極發展的一大目標此外結合正在蓬勃發
展的矽薄膜太陽能技術及相當成熟的矽基板製造技術
矽晶 晶片混合型的異質接面矽基高效能太陽能電池受
到相當的重視 [7ndash9]異質接面矽基高效能太陽能電池是在
矽基板上成長高品質的異質薄膜形成異質接面用以取
代傳統的 POCl3 爐管所產生的 pn接面此異質薄膜可以
是 andashSiSiGe或者是 andashSiO等材料由於不同材料有
不同的能隙因此藉著發展能帶工程化之ā質接面多層
薄膜可以增加有效吸收太陽光波段或利用各種薄膜在
表面的鈍化效應以增加載子的收集率預期可大大的提
高太陽能電池效率而日本三洋發展之具 andashSicndashSi 結構
（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer（HIT））之異質
接面矽基高效能太陽能電池便是此結構的代表其轉換
效率已超過 22[7]因此本團隊的研究重心將專注在研
發各種薄膜技術如高品質的矽薄膜成長技術低阻抗的
矽薄膜摻雜技術低阻抗高穿透率的透明導電膜成長技
術並以優良的製程整合技術開發出薄膜型及矽晶 晶片
混合型太陽電池
前言
若以目前而言各種再生能源中包括太陽能水力
發電風力發電和燃料電池和離電池等僅太陽能電池
為一種將太陽光直接轉換為電能之光電元件一旦當石
油枯竭最直接能夠應用在一般日常生活所需的能源
然而太陽能僅佔所有能源來源的 003[1]（圖 1）太
陽能無疑是最大無碳能源的供給來源太陽一年約產生
176times105兆瓦其中僅 600兆瓦照射到地球表面上可供
使用然而目前矽晶太陽能電池（Crystalline Silicon
Solar Cells）的發電成本相對於石油發電而言尚過於昂貴
（$35W）若太陽能電池技術持續發展其發電成本可
逐年降至 05$W以下其成本等同於現行火力發電的成
本屆時全球的能源形態將會發生一重大的革命性改變
由於歐日美等國家強力的能源補助政策催生下促使
矽晶太陽能電池需求大增圖 2為 EPIA 2007年全球太
陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約佔 874
薄膜太陽能電池約佔 104[2]
由於矽材料較易取得且環保再則矽基（Silicon
Based）元件的製造與設備技術十分成熟因此預估至
2050年全球矽基太陽能電池市場仍可維持 80的市佔
率矽基太陽能電池中又分晶片型薄膜型及矽晶 晶片
混合型三種太陽電池晶片型太陽能電池是目前產業界大
量使用的技術其製程簡單且良率高單晶矽太陽能電池
圖 目前各種再生能源的種類 [] 圖 目前全球太陽能電池市佔率統計 []
Veraumlnderung des weltweiten Energiemixes bis 2100
Prognose des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveraumlnderungen
000 00 00 00 00 00 Jaumlhrlicher Primaumlrenergieeinsatz[EJa]
00
00
0
00
00
00
Oumll
Kohle
Gas
Kernenrgie
Wasserkraft
Biomasse
Wind
Solarstrom （Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke））
Solarthermie（nur Waumlrme）（nur Waumlrme）
Andere Erneuerbare
Quelle solarwirtschaftde
Cell technology shares in 2007
andashSimicrocndashSi 52
CdTe 47
CIS 05
Ribbon cndashSi 22Others 01
multi cndashSi 452 mono cndashSi 422
Source Photon International March 00
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
高品質矽薄膜成長
NDL目前擁有兩組沉積系統可成長高品質的矽薄
膜分別是高密度電漿化學氣相沉積系統（High Density
Plasma Chemical Vapor Deposition HDPCVD）及電漿
熱線式化學式氣相系統以下將分別討論
A 高密度電漿化學氣相沉積系統
國家奈米元件實驗室目前擁有一組枚葉式的多腔體
HDPCVD系統分別負責成長矽薄膜材料的 pi及 n層
薄膜CVD系統需要多個腔體的原因是為了薄膜沉積後
殘餘腔體內的硼及磷原子會有交叉汙染的問題因此會降
低 pndashindashn三層的薄膜品質造成太陽能電池的品質控制不
易及轉換效率的降低將 pi及 n層薄膜由各自獨立
的腔體所沉積的方法亦是目前國際上大部分的設備商所
採用的而利用本系統所成長之矽薄膜由於薄膜的沈積
及摻雜都於同一機台上進行製作因此具備沈積效率佳
低成本且具有高均勻性的特性
高密度電漿化學氣相沉積系統可製備低溫品質優
良且具有各種能隙之矽薄膜目前已成功的開發出異質
接面薄膜太陽能電池所需的本質層及 p n 摻雜層本質層
（Intrinsic Layeri layer）對於薄膜型太陽電池之電特性影
響最大因為當電子與電洞在材料內部傳導如其距離過
長兩者再結合機率極高為避免此現象發生i層不宜
過厚但如太薄又易造成吸光不足因此我們將導入
HDPCVD 系統成長厚度約略為 2000ndash4000Aring的非晶矽薄
膜以作為薄膜太陽電池結構之 i層
相對而言針對非晶矽薄膜的分析結果如能隙
（Energy Bandgap Eg）鑑定等本團隊已具備相當純熟之
技術於能隙的量測上本團隊採用橢圓儀的偏極光照射
方式來量測其能隙值或是利用托克模型（TaucndashModel）
方法擬合其能隙如圖 3所示再利用紫外 ndash可見光光譜
儀（UVndashVisible Spectrum）量測其穿透率可見本團隊利
用 TaucndashModel方法所擬合之非晶矽薄膜的能隙大小約略
為188eV因此符合非晶矽具備高能隙可吸收短波長之特
點以利太陽能電池吸收更接近太陽光光譜之特性
製作異質結構太陽能電池需要分別摻雜硼原子及
磷原子製作 p型及 n型矽薄膜高品質低阻抗的摻雜
層可以提高開路電壓降低串聯電阻及降低逆向電流
在 nndashlayer的製備上是藉由外加通入之 PH3氣體並導入
HDPCVD系統形成厚度約略為100ndash200Aring 並具有五族
元素 P之非晶矽 nndashlayer而在 pndashlayer的製備上是藉由
外加通入之 B2H6氣體並導入 HDPCVD系統形成厚具
有五族元素 B之非晶矽 pndashlayer如圖 4所示藉由電性
量測可明確的得到 nndashlayer的電阻率可低於 10 ohmndash
cm而 pndashlayer的電阻率約在 104 ohmndashcm兩者都符合
具有良好元件特性的摻雜層要求
B 電漿 熱線式化學式氣相沉積成長高品質矽薄膜
為了達到具有低成本大面積尺寸薄膜太陽能電池
量產之目標除了目前所使用之 HDPCVD系統外本研
究團隊將嘗試發展新型薄膜沈積系統以利未來能更迅
速完成高品質大面積薄膜生產之宗旨普遍而言製
圖 andashSi能隙擬合圖
圖 左圖為 nndashlayer電性量測結果右圖 pndashlayer電性量測結果
0
0
0
0
0
00
0
00 0 0 0 0 0
Photon Energy（eV）
（ά h
v） （
ev c
m ）
Tran
smis
sion（
）
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
00
0
0
ndash0
ndash00
ndash ndash ndash 0
p= [Ωcm]p=00 [Ωcm]p=0 [Ωcm]
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
0
ndash
ndash ndash 0
p=times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]p=0times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]
（a） （b）
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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[12] M Otobe S Oda J NonndashCryst Solids 164165
993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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BadyalLangmuir236892007
[10] AKGeimSVDubonosNatMater20032461
[11] WangCFSuYCKuoSWHuangCFSheen
YCChangFCAngewChemIntEd452248 2006
[12] MohammadiRWassinkJAmirfazliALangmuir
2096572004
[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
CONTENTS
02 主題文章 1
矽基薄膜於太陽能電池之應用 沈昌宏 thinsp謝嘉民
08 主題文章 2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製 劉建惟 thinsp李彥希 thinsp戴寶通
14 主題文章 3
奈米晶矽在太陽能電池之應用 曾治國 thinsp李明昌
19 主題文章 4
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的 光電特性探討
黃俊達 thinsp卓其何
24 主題文章 5
發展軟式大面積有機混成 太陽能電池模組 蕭育仁蔡來福劉建惟周勝鴻謝嘉民戴寶通
29 主題文章 6
高效率 IIIndashV族化合物太陽能電池 之發展近況 薛丁仁
34 主題文章 7
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材 設計 1times 3可調式光波導衰減器 莊文魁 thinsp廖振良
40 奈米科技專論園地
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料 在超疏水至親水間溼潤性控制 之探討與應用 林漢清
45 相關學術會議報導 1
2009奈米元件技術研討會 黃心寧
48 相關學術會議報導 2
215th ECS Meeting 國際學術會議報導 吳世全
49 相關學術會議報導 3
第 59屆 電子零件與技術會議報導 黃國威
50 相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導 謝嘉民游文謙
52 活動紀實
資源分享以共創半導體產業 與奈米科技領域的競爭優勢－ 98年使用者 合作研究座談會 謝佩玲
16卷No2 | 200906
編者的話
鑑於現今全世界能源儲存量已經亮起紅燈且隨著社會經濟的發展和人民生活水準的提高對能源
的需求量不斷增長耗盡自然資源造成能源危機外也因過度地使用傳統能源資源導致全球溫室效應因
此開發各類新能源及可再生能源並且提高其使用程度已成為必然趨勢由於太陽能是一種非常潔淨的能
源不會產生廢料煙霧氣味和噪音也不會對水空氣和地面產生任何污染同時它的供應永無止盡
因此被譽為能源的明日之星本期的奈米通訊很高興能以「奈米能源」為主題邀請到七組學研專家分
別介紹各類的矽奈米材料應用至太陽能電池的發展及結果並討論有機及 IIIndashV族太陽能電池的發展近況
及成果期望讀者在各篇精彩的文章介紹下能對太陽能電池有更深入的認識
本期第一篇文章為本人謝嘉民博士研究團隊的「矽基薄膜於太陽能電池之應用」文中介紹本團隊利
用開發多年之低溫低成本高品質之矽基薄膜技術完成三種矽基太陽能電池的製造平台可供新材料
及技術的驗證第二篇文章為戴寶通博士研究團隊的「矽奈米線薄膜太陽能電池之研製」文章說明如何
利用氣 ndash液 ndash固成長技術達成大面積成長具超高比表面積低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽奈米
線並實際驗證矽奈米線太陽能電池的元件特性第三篇文章為李明昌教授研究團隊的「奈米晶矽在太陽
能電池之應用」文中探討探討奈米晶矽（Nanocrystal Silicon）的光電特性及將這些結構化奈米晶矽薄
膜應用於矽太陽能電池的吸收層來產生更高轉換效率的作法其實驗結果顯示出在經外加電場處理過後
的樣品在光激發光譜有增強的成果預期可將此技術應用於奈米晶矽太陽能電池第四篇文章為黃俊達教
授研究團隊的「V 型多孔矽 nndash型矽基板異質接面的光電特性探討」則提供以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型多孔矽的成果發現 V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極化方法
所得到的單層多孔矽比較有較大的光吸收且在波長 300～ 900 nm範圍內 V型多孔矽的反射率低於 1
這些優點使 V型多孔矽可用在薄層轉移薄膜型太陽電池中當作良好的光吸收主動層第五篇文章為
戴寶通博士研究團隊的「發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組」內容則介紹如何利用大面積旋轉塗
佈技術開發有機混成太陽能電池模組於可撓式基板上使其具備有高效能長壽命低成本及大面積製
造的能力並製作面積 100 cm2以上之可撓式電池模組及測試第六篇文章為薛丁仁博士的「高效率 IIIndash
V族化合物太陽能電池之發展近況」內容說明直接能隙的 IIIndashV族化合物半導體最有潛力發展高效率太陽
能電池其能隙範圍將包含整個可見光波段可大幅提升太陽能轉換效率第七篇文章為莊文魁教授研究
團隊的「利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計 1times3可調式光波導衰減器」內容說明利用多模干涉效
應為原理並藉由熱光效應（Thermooptic Effect）去改變加熱區的自我成像之相位差的方式設計出 1times3可
調式光波導衰減器
最後我們希望本刊主題專文能讓讀者對能源技術有興趣的讀者了解最新太陽能電池技術的發展與
挑戰進而投入能源的研究事業可為台灣的太陽能技術盡一份心力
謝嘉民總編輯
EDITORS LETTER
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用Applications of Sindashbased Thin Films in Solar Cells
沈昌宏thinspthinsp謝嘉民國家奈米元件實驗室
矽基太陽能電池 SindashBased Solar Cell 高密度電漿及熱線化學氣相沉積 HighndashDensity Plasma and HotndashWire ChemicalndashVaporndashDeposition
穿透導電膜 Transparent Conduction Oxide TCO
關鍵詞 Keywords
隨著能源議題逐漸被受重視太陽能
電池的發展也日趨重要此篇文章將
介紹國家奈米元件實驗室（N D L）利
用開發多年之低溫低成本高品質之
矽基薄膜技術發展矽基太陽能電池
並專注在以高密度電漿化學氣相沈積
（H D P C V D）及熱線化學氣相沉積
（H W C V D）成長各型態的矽薄膜製
造技術發展矽薄膜及異質結構太陽能
電池並以提升透明導電膜的導電率及
穿透率的方式將太陽能電池的製程最
佳化現在N D L已完成三種矽基太陽
能電池的製造平台可供新材料及技術的
驗證
As the energy issues gradually attract increasing attentions the
development of solar cells becomes more important This article
will introduce that NDL utilize low cost low temperature
high quality siliconndashbased thin film deposition technique to
develop high efficiency heterostructure crystalline Si solar cell
The project was focused on silicon based thin film deposition
technique development by using HWCVD and HDPCVD to
develop Si thin film solar cell and heterostructure Si solar cell The
optimum of solar cell fabrication would achieved by improving
TCO transparence and conductivity Now three kinds of solar
cell platforms are available for demonstration of new materials and
structure in applications of solar cells
主題文章 1
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
平均轉換效率約 165～ 18但太陽能電池成本不易降
低且效率不易提高導致發電成本不易降低至 1 $W而
取代現有發電技術矽薄膜型太陽能電池 [3ndash6]具有低原
料需求節省材料成本重量輕可大面積製造甚至可
撓曲的特性等優點目前國際間各太陽能電池大廠與技
術研發團隊積極發展的一大目標此外結合正在蓬勃發
展的矽薄膜太陽能技術及相當成熟的矽基板製造技術
矽晶 晶片混合型的異質接面矽基高效能太陽能電池受
到相當的重視 [7ndash9]異質接面矽基高效能太陽能電池是在
矽基板上成長高品質的異質薄膜形成異質接面用以取
代傳統的 POCl3 爐管所產生的 pn接面此異質薄膜可以
是 andashSiSiGe或者是 andashSiO等材料由於不同材料有
不同的能隙因此藉著發展能帶工程化之ā質接面多層
薄膜可以增加有效吸收太陽光波段或利用各種薄膜在
表面的鈍化效應以增加載子的收集率預期可大大的提
高太陽能電池效率而日本三洋發展之具 andashSicndashSi 結構
（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer（HIT））之異質
接面矽基高效能太陽能電池便是此結構的代表其轉換
效率已超過 22[7]因此本團隊的研究重心將專注在研
發各種薄膜技術如高品質的矽薄膜成長技術低阻抗的
矽薄膜摻雜技術低阻抗高穿透率的透明導電膜成長技
術並以優良的製程整合技術開發出薄膜型及矽晶 晶片
混合型太陽電池
前言
若以目前而言各種再生能源中包括太陽能水力
發電風力發電和燃料電池和離電池等僅太陽能電池
為一種將太陽光直接轉換為電能之光電元件一旦當石
油枯竭最直接能夠應用在一般日常生活所需的能源
然而太陽能僅佔所有能源來源的 003[1]（圖 1）太
陽能無疑是最大無碳能源的供給來源太陽一年約產生
176times105兆瓦其中僅 600兆瓦照射到地球表面上可供
使用然而目前矽晶太陽能電池（Crystalline Silicon
Solar Cells）的發電成本相對於石油發電而言尚過於昂貴
（$35W）若太陽能電池技術持續發展其發電成本可
逐年降至 05$W以下其成本等同於現行火力發電的成
本屆時全球的能源形態將會發生一重大的革命性改變
由於歐日美等國家強力的能源補助政策催生下促使
矽晶太陽能電池需求大增圖 2為 EPIA 2007年全球太
陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約佔 874
薄膜太陽能電池約佔 104[2]
由於矽材料較易取得且環保再則矽基（Silicon
Based）元件的製造與設備技術十分成熟因此預估至
2050年全球矽基太陽能電池市場仍可維持 80的市佔
率矽基太陽能電池中又分晶片型薄膜型及矽晶 晶片
混合型三種太陽電池晶片型太陽能電池是目前產業界大
量使用的技術其製程簡單且良率高單晶矽太陽能電池
圖 目前各種再生能源的種類 [] 圖 目前全球太陽能電池市佔率統計 []
Veraumlnderung des weltweiten Energiemixes bis 2100
Prognose des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveraumlnderungen
000 00 00 00 00 00 Jaumlhrlicher Primaumlrenergieeinsatz[EJa]
00
00
0
00
00
00
Oumll
Kohle
Gas
Kernenrgie
Wasserkraft
Biomasse
Wind
Solarstrom （Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke））
Solarthermie（nur Waumlrme）（nur Waumlrme）
Andere Erneuerbare
Quelle solarwirtschaftde
Cell technology shares in 2007
andashSimicrocndashSi 52
CdTe 47
CIS 05
Ribbon cndashSi 22Others 01
multi cndashSi 452 mono cndashSi 422
Source Photon International March 00
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
高品質矽薄膜成長
NDL目前擁有兩組沉積系統可成長高品質的矽薄
膜分別是高密度電漿化學氣相沉積系統（High Density
Plasma Chemical Vapor Deposition HDPCVD）及電漿
熱線式化學式氣相系統以下將分別討論
A 高密度電漿化學氣相沉積系統
國家奈米元件實驗室目前擁有一組枚葉式的多腔體
HDPCVD系統分別負責成長矽薄膜材料的 pi及 n層
薄膜CVD系統需要多個腔體的原因是為了薄膜沉積後
殘餘腔體內的硼及磷原子會有交叉汙染的問題因此會降
低 pndashindashn三層的薄膜品質造成太陽能電池的品質控制不
易及轉換效率的降低將 pi及 n層薄膜由各自獨立
的腔體所沉積的方法亦是目前國際上大部分的設備商所
採用的而利用本系統所成長之矽薄膜由於薄膜的沈積
及摻雜都於同一機台上進行製作因此具備沈積效率佳
低成本且具有高均勻性的特性
高密度電漿化學氣相沉積系統可製備低溫品質優
良且具有各種能隙之矽薄膜目前已成功的開發出異質
接面薄膜太陽能電池所需的本質層及 p n 摻雜層本質層
（Intrinsic Layeri layer）對於薄膜型太陽電池之電特性影
響最大因為當電子與電洞在材料內部傳導如其距離過
長兩者再結合機率極高為避免此現象發生i層不宜
過厚但如太薄又易造成吸光不足因此我們將導入
HDPCVD 系統成長厚度約略為 2000ndash4000Aring的非晶矽薄
膜以作為薄膜太陽電池結構之 i層
相對而言針對非晶矽薄膜的分析結果如能隙
（Energy Bandgap Eg）鑑定等本團隊已具備相當純熟之
技術於能隙的量測上本團隊採用橢圓儀的偏極光照射
方式來量測其能隙值或是利用托克模型（TaucndashModel）
方法擬合其能隙如圖 3所示再利用紫外 ndash可見光光譜
儀（UVndashVisible Spectrum）量測其穿透率可見本團隊利
用 TaucndashModel方法所擬合之非晶矽薄膜的能隙大小約略
為188eV因此符合非晶矽具備高能隙可吸收短波長之特
點以利太陽能電池吸收更接近太陽光光譜之特性
製作異質結構太陽能電池需要分別摻雜硼原子及
磷原子製作 p型及 n型矽薄膜高品質低阻抗的摻雜
層可以提高開路電壓降低串聯電阻及降低逆向電流
在 nndashlayer的製備上是藉由外加通入之 PH3氣體並導入
HDPCVD系統形成厚度約略為100ndash200Aring 並具有五族
元素 P之非晶矽 nndashlayer而在 pndashlayer的製備上是藉由
外加通入之 B2H6氣體並導入 HDPCVD系統形成厚具
有五族元素 B之非晶矽 pndashlayer如圖 4所示藉由電性
量測可明確的得到 nndashlayer的電阻率可低於 10 ohmndash
cm而 pndashlayer的電阻率約在 104 ohmndashcm兩者都符合
具有良好元件特性的摻雜層要求
B 電漿 熱線式化學式氣相沉積成長高品質矽薄膜
為了達到具有低成本大面積尺寸薄膜太陽能電池
量產之目標除了目前所使用之 HDPCVD系統外本研
究團隊將嘗試發展新型薄膜沈積系統以利未來能更迅
速完成高品質大面積薄膜生產之宗旨普遍而言製
圖 andashSi能隙擬合圖
圖 左圖為 nndashlayer電性量測結果右圖 pndashlayer電性量測結果
0
0
0
0
0
00
0
00 0 0 0 0 0
Photon Energy（eV）
（ά h
v） （
ev c
m ）
Tran
smis
sion（
）
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
00
0
0
ndash0
ndash00
ndash ndash ndash 0
p= [Ωcm]p=00 [Ωcm]p=0 [Ωcm]
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
0
ndash
ndash ndash 0
p=times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]p=0times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]
（a） （b）
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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[12] M Otobe S Oda J NonndashCryst Solids 164165
993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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[18] W Liu et al JPhysDApplPhys30 3366 1997
[19] C Russel J NonndashCryst Solid 219 212 1997
後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
編者的話
鑑於現今全世界能源儲存量已經亮起紅燈且隨著社會經濟的發展和人民生活水準的提高對能源
的需求量不斷增長耗盡自然資源造成能源危機外也因過度地使用傳統能源資源導致全球溫室效應因
此開發各類新能源及可再生能源並且提高其使用程度已成為必然趨勢由於太陽能是一種非常潔淨的能
源不會產生廢料煙霧氣味和噪音也不會對水空氣和地面產生任何污染同時它的供應永無止盡
因此被譽為能源的明日之星本期的奈米通訊很高興能以「奈米能源」為主題邀請到七組學研專家分
別介紹各類的矽奈米材料應用至太陽能電池的發展及結果並討論有機及 IIIndashV族太陽能電池的發展近況
及成果期望讀者在各篇精彩的文章介紹下能對太陽能電池有更深入的認識
本期第一篇文章為本人謝嘉民博士研究團隊的「矽基薄膜於太陽能電池之應用」文中介紹本團隊利
用開發多年之低溫低成本高品質之矽基薄膜技術完成三種矽基太陽能電池的製造平台可供新材料
及技術的驗證第二篇文章為戴寶通博士研究團隊的「矽奈米線薄膜太陽能電池之研製」文章說明如何
利用氣 ndash液 ndash固成長技術達成大面積成長具超高比表面積低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽奈米
線並實際驗證矽奈米線太陽能電池的元件特性第三篇文章為李明昌教授研究團隊的「奈米晶矽在太陽
能電池之應用」文中探討探討奈米晶矽（Nanocrystal Silicon）的光電特性及將這些結構化奈米晶矽薄
膜應用於矽太陽能電池的吸收層來產生更高轉換效率的作法其實驗結果顯示出在經外加電場處理過後
的樣品在光激發光譜有增強的成果預期可將此技術應用於奈米晶矽太陽能電池第四篇文章為黃俊達教
授研究團隊的「V 型多孔矽 nndash型矽基板異質接面的光電特性探討」則提供以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型多孔矽的成果發現 V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極化方法
所得到的單層多孔矽比較有較大的光吸收且在波長 300～ 900 nm範圍內 V型多孔矽的反射率低於 1
這些優點使 V型多孔矽可用在薄層轉移薄膜型太陽電池中當作良好的光吸收主動層第五篇文章為
戴寶通博士研究團隊的「發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組」內容則介紹如何利用大面積旋轉塗
佈技術開發有機混成太陽能電池模組於可撓式基板上使其具備有高效能長壽命低成本及大面積製
造的能力並製作面積 100 cm2以上之可撓式電池模組及測試第六篇文章為薛丁仁博士的「高效率 IIIndash
V族化合物太陽能電池之發展近況」內容說明直接能隙的 IIIndashV族化合物半導體最有潛力發展高效率太陽
能電池其能隙範圍將包含整個可見光波段可大幅提升太陽能轉換效率第七篇文章為莊文魁教授研究
團隊的「利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計 1times3可調式光波導衰減器」內容說明利用多模干涉效
應為原理並藉由熱光效應（Thermooptic Effect）去改變加熱區的自我成像之相位差的方式設計出 1times3可
調式光波導衰減器
最後我們希望本刊主題專文能讓讀者對能源技術有興趣的讀者了解最新太陽能電池技術的發展與
挑戰進而投入能源的研究事業可為台灣的太陽能技術盡一份心力
謝嘉民總編輯
EDITORS LETTER
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用Applications of Sindashbased Thin Films in Solar Cells
沈昌宏thinspthinsp謝嘉民國家奈米元件實驗室
矽基太陽能電池 SindashBased Solar Cell 高密度電漿及熱線化學氣相沉積 HighndashDensity Plasma and HotndashWire ChemicalndashVaporndashDeposition
穿透導電膜 Transparent Conduction Oxide TCO
關鍵詞 Keywords
隨著能源議題逐漸被受重視太陽能
電池的發展也日趨重要此篇文章將
介紹國家奈米元件實驗室（N D L）利
用開發多年之低溫低成本高品質之
矽基薄膜技術發展矽基太陽能電池
並專注在以高密度電漿化學氣相沈積
（H D P C V D）及熱線化學氣相沉積
（H W C V D）成長各型態的矽薄膜製
造技術發展矽薄膜及異質結構太陽能
電池並以提升透明導電膜的導電率及
穿透率的方式將太陽能電池的製程最
佳化現在N D L已完成三種矽基太陽
能電池的製造平台可供新材料及技術的
驗證
As the energy issues gradually attract increasing attentions the
development of solar cells becomes more important This article
will introduce that NDL utilize low cost low temperature
high quality siliconndashbased thin film deposition technique to
develop high efficiency heterostructure crystalline Si solar cell
The project was focused on silicon based thin film deposition
technique development by using HWCVD and HDPCVD to
develop Si thin film solar cell and heterostructure Si solar cell The
optimum of solar cell fabrication would achieved by improving
TCO transparence and conductivity Now three kinds of solar
cell platforms are available for demonstration of new materials and
structure in applications of solar cells
主題文章 1
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
平均轉換效率約 165～ 18但太陽能電池成本不易降
低且效率不易提高導致發電成本不易降低至 1 $W而
取代現有發電技術矽薄膜型太陽能電池 [3ndash6]具有低原
料需求節省材料成本重量輕可大面積製造甚至可
撓曲的特性等優點目前國際間各太陽能電池大廠與技
術研發團隊積極發展的一大目標此外結合正在蓬勃發
展的矽薄膜太陽能技術及相當成熟的矽基板製造技術
矽晶 晶片混合型的異質接面矽基高效能太陽能電池受
到相當的重視 [7ndash9]異質接面矽基高效能太陽能電池是在
矽基板上成長高品質的異質薄膜形成異質接面用以取
代傳統的 POCl3 爐管所產生的 pn接面此異質薄膜可以
是 andashSiSiGe或者是 andashSiO等材料由於不同材料有
不同的能隙因此藉著發展能帶工程化之ā質接面多層
薄膜可以增加有效吸收太陽光波段或利用各種薄膜在
表面的鈍化效應以增加載子的收集率預期可大大的提
高太陽能電池效率而日本三洋發展之具 andashSicndashSi 結構
（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer（HIT））之異質
接面矽基高效能太陽能電池便是此結構的代表其轉換
效率已超過 22[7]因此本團隊的研究重心將專注在研
發各種薄膜技術如高品質的矽薄膜成長技術低阻抗的
矽薄膜摻雜技術低阻抗高穿透率的透明導電膜成長技
術並以優良的製程整合技術開發出薄膜型及矽晶 晶片
混合型太陽電池
前言
若以目前而言各種再生能源中包括太陽能水力
發電風力發電和燃料電池和離電池等僅太陽能電池
為一種將太陽光直接轉換為電能之光電元件一旦當石
油枯竭最直接能夠應用在一般日常生活所需的能源
然而太陽能僅佔所有能源來源的 003[1]（圖 1）太
陽能無疑是最大無碳能源的供給來源太陽一年約產生
176times105兆瓦其中僅 600兆瓦照射到地球表面上可供
使用然而目前矽晶太陽能電池（Crystalline Silicon
Solar Cells）的發電成本相對於石油發電而言尚過於昂貴
（$35W）若太陽能電池技術持續發展其發電成本可
逐年降至 05$W以下其成本等同於現行火力發電的成
本屆時全球的能源形態將會發生一重大的革命性改變
由於歐日美等國家強力的能源補助政策催生下促使
矽晶太陽能電池需求大增圖 2為 EPIA 2007年全球太
陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約佔 874
薄膜太陽能電池約佔 104[2]
由於矽材料較易取得且環保再則矽基（Silicon
Based）元件的製造與設備技術十分成熟因此預估至
2050年全球矽基太陽能電池市場仍可維持 80的市佔
率矽基太陽能電池中又分晶片型薄膜型及矽晶 晶片
混合型三種太陽電池晶片型太陽能電池是目前產業界大
量使用的技術其製程簡單且良率高單晶矽太陽能電池
圖 目前各種再生能源的種類 [] 圖 目前全球太陽能電池市佔率統計 []
Veraumlnderung des weltweiten Energiemixes bis 2100
Prognose des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveraumlnderungen
000 00 00 00 00 00 Jaumlhrlicher Primaumlrenergieeinsatz[EJa]
00
00
0
00
00
00
Oumll
Kohle
Gas
Kernenrgie
Wasserkraft
Biomasse
Wind
Solarstrom （Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke））
Solarthermie（nur Waumlrme）（nur Waumlrme）
Andere Erneuerbare
Quelle solarwirtschaftde
Cell technology shares in 2007
andashSimicrocndashSi 52
CdTe 47
CIS 05
Ribbon cndashSi 22Others 01
multi cndashSi 452 mono cndashSi 422
Source Photon International March 00
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
高品質矽薄膜成長
NDL目前擁有兩組沉積系統可成長高品質的矽薄
膜分別是高密度電漿化學氣相沉積系統（High Density
Plasma Chemical Vapor Deposition HDPCVD）及電漿
熱線式化學式氣相系統以下將分別討論
A 高密度電漿化學氣相沉積系統
國家奈米元件實驗室目前擁有一組枚葉式的多腔體
HDPCVD系統分別負責成長矽薄膜材料的 pi及 n層
薄膜CVD系統需要多個腔體的原因是為了薄膜沉積後
殘餘腔體內的硼及磷原子會有交叉汙染的問題因此會降
低 pndashindashn三層的薄膜品質造成太陽能電池的品質控制不
易及轉換效率的降低將 pi及 n層薄膜由各自獨立
的腔體所沉積的方法亦是目前國際上大部分的設備商所
採用的而利用本系統所成長之矽薄膜由於薄膜的沈積
及摻雜都於同一機台上進行製作因此具備沈積效率佳
低成本且具有高均勻性的特性
高密度電漿化學氣相沉積系統可製備低溫品質優
良且具有各種能隙之矽薄膜目前已成功的開發出異質
接面薄膜太陽能電池所需的本質層及 p n 摻雜層本質層
（Intrinsic Layeri layer）對於薄膜型太陽電池之電特性影
響最大因為當電子與電洞在材料內部傳導如其距離過
長兩者再結合機率極高為避免此現象發生i層不宜
過厚但如太薄又易造成吸光不足因此我們將導入
HDPCVD 系統成長厚度約略為 2000ndash4000Aring的非晶矽薄
膜以作為薄膜太陽電池結構之 i層
相對而言針對非晶矽薄膜的分析結果如能隙
（Energy Bandgap Eg）鑑定等本團隊已具備相當純熟之
技術於能隙的量測上本團隊採用橢圓儀的偏極光照射
方式來量測其能隙值或是利用托克模型（TaucndashModel）
方法擬合其能隙如圖 3所示再利用紫外 ndash可見光光譜
儀（UVndashVisible Spectrum）量測其穿透率可見本團隊利
用 TaucndashModel方法所擬合之非晶矽薄膜的能隙大小約略
為188eV因此符合非晶矽具備高能隙可吸收短波長之特
點以利太陽能電池吸收更接近太陽光光譜之特性
製作異質結構太陽能電池需要分別摻雜硼原子及
磷原子製作 p型及 n型矽薄膜高品質低阻抗的摻雜
層可以提高開路電壓降低串聯電阻及降低逆向電流
在 nndashlayer的製備上是藉由外加通入之 PH3氣體並導入
HDPCVD系統形成厚度約略為100ndash200Aring 並具有五族
元素 P之非晶矽 nndashlayer而在 pndashlayer的製備上是藉由
外加通入之 B2H6氣體並導入 HDPCVD系統形成厚具
有五族元素 B之非晶矽 pndashlayer如圖 4所示藉由電性
量測可明確的得到 nndashlayer的電阻率可低於 10 ohmndash
cm而 pndashlayer的電阻率約在 104 ohmndashcm兩者都符合
具有良好元件特性的摻雜層要求
B 電漿 熱線式化學式氣相沉積成長高品質矽薄膜
為了達到具有低成本大面積尺寸薄膜太陽能電池
量產之目標除了目前所使用之 HDPCVD系統外本研
究團隊將嘗試發展新型薄膜沈積系統以利未來能更迅
速完成高品質大面積薄膜生產之宗旨普遍而言製
圖 andashSi能隙擬合圖
圖 左圖為 nndashlayer電性量測結果右圖 pndashlayer電性量測結果
0
0
0
0
0
00
0
00 0 0 0 0 0
Photon Energy（eV）
（ά h
v） （
ev c
m ）
Tran
smis
sion（
）
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
00
0
0
ndash0
ndash00
ndash ndash ndash 0
p= [Ωcm]p=00 [Ωcm]p=0 [Ωcm]
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
0
ndash
ndash ndash 0
p=times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]p=0times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]
（a） （b）
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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Hsieh P C Yao J H Wang W C Chen Thin
Solid Films 498 9 2006
[12] M Otobe S Oda J NonndashCryst Solids 164165
993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
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主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
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低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
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4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用Applications of Sindashbased Thin Films in Solar Cells
沈昌宏thinspthinsp謝嘉民國家奈米元件實驗室
矽基太陽能電池 SindashBased Solar Cell 高密度電漿及熱線化學氣相沉積 HighndashDensity Plasma and HotndashWire ChemicalndashVaporndashDeposition
穿透導電膜 Transparent Conduction Oxide TCO
關鍵詞 Keywords
隨著能源議題逐漸被受重視太陽能
電池的發展也日趨重要此篇文章將
介紹國家奈米元件實驗室（N D L）利
用開發多年之低溫低成本高品質之
矽基薄膜技術發展矽基太陽能電池
並專注在以高密度電漿化學氣相沈積
（H D P C V D）及熱線化學氣相沉積
（H W C V D）成長各型態的矽薄膜製
造技術發展矽薄膜及異質結構太陽能
電池並以提升透明導電膜的導電率及
穿透率的方式將太陽能電池的製程最
佳化現在N D L已完成三種矽基太陽
能電池的製造平台可供新材料及技術的
驗證
As the energy issues gradually attract increasing attentions the
development of solar cells becomes more important This article
will introduce that NDL utilize low cost low temperature
high quality siliconndashbased thin film deposition technique to
develop high efficiency heterostructure crystalline Si solar cell
The project was focused on silicon based thin film deposition
technique development by using HWCVD and HDPCVD to
develop Si thin film solar cell and heterostructure Si solar cell The
optimum of solar cell fabrication would achieved by improving
TCO transparence and conductivity Now three kinds of solar
cell platforms are available for demonstration of new materials and
structure in applications of solar cells
主題文章 1
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
平均轉換效率約 165～ 18但太陽能電池成本不易降
低且效率不易提高導致發電成本不易降低至 1 $W而
取代現有發電技術矽薄膜型太陽能電池 [3ndash6]具有低原
料需求節省材料成本重量輕可大面積製造甚至可
撓曲的特性等優點目前國際間各太陽能電池大廠與技
術研發團隊積極發展的一大目標此外結合正在蓬勃發
展的矽薄膜太陽能技術及相當成熟的矽基板製造技術
矽晶 晶片混合型的異質接面矽基高效能太陽能電池受
到相當的重視 [7ndash9]異質接面矽基高效能太陽能電池是在
矽基板上成長高品質的異質薄膜形成異質接面用以取
代傳統的 POCl3 爐管所產生的 pn接面此異質薄膜可以
是 andashSiSiGe或者是 andashSiO等材料由於不同材料有
不同的能隙因此藉著發展能帶工程化之ā質接面多層
薄膜可以增加有效吸收太陽光波段或利用各種薄膜在
表面的鈍化效應以增加載子的收集率預期可大大的提
高太陽能電池效率而日本三洋發展之具 andashSicndashSi 結構
（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer（HIT））之異質
接面矽基高效能太陽能電池便是此結構的代表其轉換
效率已超過 22[7]因此本團隊的研究重心將專注在研
發各種薄膜技術如高品質的矽薄膜成長技術低阻抗的
矽薄膜摻雜技術低阻抗高穿透率的透明導電膜成長技
術並以優良的製程整合技術開發出薄膜型及矽晶 晶片
混合型太陽電池
前言
若以目前而言各種再生能源中包括太陽能水力
發電風力發電和燃料電池和離電池等僅太陽能電池
為一種將太陽光直接轉換為電能之光電元件一旦當石
油枯竭最直接能夠應用在一般日常生活所需的能源
然而太陽能僅佔所有能源來源的 003[1]（圖 1）太
陽能無疑是最大無碳能源的供給來源太陽一年約產生
176times105兆瓦其中僅 600兆瓦照射到地球表面上可供
使用然而目前矽晶太陽能電池（Crystalline Silicon
Solar Cells）的發電成本相對於石油發電而言尚過於昂貴
（$35W）若太陽能電池技術持續發展其發電成本可
逐年降至 05$W以下其成本等同於現行火力發電的成
本屆時全球的能源形態將會發生一重大的革命性改變
由於歐日美等國家強力的能源補助政策催生下促使
矽晶太陽能電池需求大增圖 2為 EPIA 2007年全球太
陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約佔 874
薄膜太陽能電池約佔 104[2]
由於矽材料較易取得且環保再則矽基（Silicon
Based）元件的製造與設備技術十分成熟因此預估至
2050年全球矽基太陽能電池市場仍可維持 80的市佔
率矽基太陽能電池中又分晶片型薄膜型及矽晶 晶片
混合型三種太陽電池晶片型太陽能電池是目前產業界大
量使用的技術其製程簡單且良率高單晶矽太陽能電池
圖 目前各種再生能源的種類 [] 圖 目前全球太陽能電池市佔率統計 []
Veraumlnderung des weltweiten Energiemixes bis 2100
Prognose des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveraumlnderungen
000 00 00 00 00 00 Jaumlhrlicher Primaumlrenergieeinsatz[EJa]
00
00
0
00
00
00
Oumll
Kohle
Gas
Kernenrgie
Wasserkraft
Biomasse
Wind
Solarstrom （Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke））
Solarthermie（nur Waumlrme）（nur Waumlrme）
Andere Erneuerbare
Quelle solarwirtschaftde
Cell technology shares in 2007
andashSimicrocndashSi 52
CdTe 47
CIS 05
Ribbon cndashSi 22Others 01
multi cndashSi 452 mono cndashSi 422
Source Photon International March 00
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
高品質矽薄膜成長
NDL目前擁有兩組沉積系統可成長高品質的矽薄
膜分別是高密度電漿化學氣相沉積系統（High Density
Plasma Chemical Vapor Deposition HDPCVD）及電漿
熱線式化學式氣相系統以下將分別討論
A 高密度電漿化學氣相沉積系統
國家奈米元件實驗室目前擁有一組枚葉式的多腔體
HDPCVD系統分別負責成長矽薄膜材料的 pi及 n層
薄膜CVD系統需要多個腔體的原因是為了薄膜沉積後
殘餘腔體內的硼及磷原子會有交叉汙染的問題因此會降
低 pndashindashn三層的薄膜品質造成太陽能電池的品質控制不
易及轉換效率的降低將 pi及 n層薄膜由各自獨立
的腔體所沉積的方法亦是目前國際上大部分的設備商所
採用的而利用本系統所成長之矽薄膜由於薄膜的沈積
及摻雜都於同一機台上進行製作因此具備沈積效率佳
低成本且具有高均勻性的特性
高密度電漿化學氣相沉積系統可製備低溫品質優
良且具有各種能隙之矽薄膜目前已成功的開發出異質
接面薄膜太陽能電池所需的本質層及 p n 摻雜層本質層
（Intrinsic Layeri layer）對於薄膜型太陽電池之電特性影
響最大因為當電子與電洞在材料內部傳導如其距離過
長兩者再結合機率極高為避免此現象發生i層不宜
過厚但如太薄又易造成吸光不足因此我們將導入
HDPCVD 系統成長厚度約略為 2000ndash4000Aring的非晶矽薄
膜以作為薄膜太陽電池結構之 i層
相對而言針對非晶矽薄膜的分析結果如能隙
（Energy Bandgap Eg）鑑定等本團隊已具備相當純熟之
技術於能隙的量測上本團隊採用橢圓儀的偏極光照射
方式來量測其能隙值或是利用托克模型（TaucndashModel）
方法擬合其能隙如圖 3所示再利用紫外 ndash可見光光譜
儀（UVndashVisible Spectrum）量測其穿透率可見本團隊利
用 TaucndashModel方法所擬合之非晶矽薄膜的能隙大小約略
為188eV因此符合非晶矽具備高能隙可吸收短波長之特
點以利太陽能電池吸收更接近太陽光光譜之特性
製作異質結構太陽能電池需要分別摻雜硼原子及
磷原子製作 p型及 n型矽薄膜高品質低阻抗的摻雜
層可以提高開路電壓降低串聯電阻及降低逆向電流
在 nndashlayer的製備上是藉由外加通入之 PH3氣體並導入
HDPCVD系統形成厚度約略為100ndash200Aring 並具有五族
元素 P之非晶矽 nndashlayer而在 pndashlayer的製備上是藉由
外加通入之 B2H6氣體並導入 HDPCVD系統形成厚具
有五族元素 B之非晶矽 pndashlayer如圖 4所示藉由電性
量測可明確的得到 nndashlayer的電阻率可低於 10 ohmndash
cm而 pndashlayer的電阻率約在 104 ohmndashcm兩者都符合
具有良好元件特性的摻雜層要求
B 電漿 熱線式化學式氣相沉積成長高品質矽薄膜
為了達到具有低成本大面積尺寸薄膜太陽能電池
量產之目標除了目前所使用之 HDPCVD系統外本研
究團隊將嘗試發展新型薄膜沈積系統以利未來能更迅
速完成高品質大面積薄膜生產之宗旨普遍而言製
圖 andashSi能隙擬合圖
圖 左圖為 nndashlayer電性量測結果右圖 pndashlayer電性量測結果
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Photon Energy（eV）
（ά h
v） （
ev c
m ）
Tran
smis
sion（
）
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
00
0
0
ndash0
ndash00
ndash ndash ndash 0
p= [Ωcm]p=00 [Ωcm]p=0 [Ωcm]
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
0
ndash
ndash ndash 0
p=times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]p=0times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]
（a） （b）
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
平均轉換效率約 165～ 18但太陽能電池成本不易降
低且效率不易提高導致發電成本不易降低至 1 $W而
取代現有發電技術矽薄膜型太陽能電池 [3ndash6]具有低原
料需求節省材料成本重量輕可大面積製造甚至可
撓曲的特性等優點目前國際間各太陽能電池大廠與技
術研發團隊積極發展的一大目標此外結合正在蓬勃發
展的矽薄膜太陽能技術及相當成熟的矽基板製造技術
矽晶 晶片混合型的異質接面矽基高效能太陽能電池受
到相當的重視 [7ndash9]異質接面矽基高效能太陽能電池是在
矽基板上成長高品質的異質薄膜形成異質接面用以取
代傳統的 POCl3 爐管所產生的 pn接面此異質薄膜可以
是 andashSiSiGe或者是 andashSiO等材料由於不同材料有
不同的能隙因此藉著發展能帶工程化之ā質接面多層
薄膜可以增加有效吸收太陽光波段或利用各種薄膜在
表面的鈍化效應以增加載子的收集率預期可大大的提
高太陽能電池效率而日本三洋發展之具 andashSicndashSi 結構
（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer（HIT））之異質
接面矽基高效能太陽能電池便是此結構的代表其轉換
效率已超過 22[7]因此本團隊的研究重心將專注在研
發各種薄膜技術如高品質的矽薄膜成長技術低阻抗的
矽薄膜摻雜技術低阻抗高穿透率的透明導電膜成長技
術並以優良的製程整合技術開發出薄膜型及矽晶 晶片
混合型太陽電池
前言
若以目前而言各種再生能源中包括太陽能水力
發電風力發電和燃料電池和離電池等僅太陽能電池
為一種將太陽光直接轉換為電能之光電元件一旦當石
油枯竭最直接能夠應用在一般日常生活所需的能源
然而太陽能僅佔所有能源來源的 003[1]（圖 1）太
陽能無疑是最大無碳能源的供給來源太陽一年約產生
176times105兆瓦其中僅 600兆瓦照射到地球表面上可供
使用然而目前矽晶太陽能電池（Crystalline Silicon
Solar Cells）的發電成本相對於石油發電而言尚過於昂貴
（$35W）若太陽能電池技術持續發展其發電成本可
逐年降至 05$W以下其成本等同於現行火力發電的成
本屆時全球的能源形態將會發生一重大的革命性改變
由於歐日美等國家強力的能源補助政策催生下促使
矽晶太陽能電池需求大增圖 2為 EPIA 2007年全球太
陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約佔 874
薄膜太陽能電池約佔 104[2]
由於矽材料較易取得且環保再則矽基（Silicon
Based）元件的製造與設備技術十分成熟因此預估至
2050年全球矽基太陽能電池市場仍可維持 80的市佔
率矽基太陽能電池中又分晶片型薄膜型及矽晶 晶片
混合型三種太陽電池晶片型太陽能電池是目前產業界大
量使用的技術其製程簡單且良率高單晶矽太陽能電池
圖 目前各種再生能源的種類 [] 圖 目前全球太陽能電池市佔率統計 []
Veraumlnderung des weltweiten Energiemixes bis 2100
Prognose des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveraumlnderungen
000 00 00 00 00 00 Jaumlhrlicher Primaumlrenergieeinsatz[EJa]
00
00
0
00
00
00
Oumll
Kohle
Gas
Kernenrgie
Wasserkraft
Biomasse
Wind
Solarstrom （Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke））
Solarthermie（nur Waumlrme）（nur Waumlrme）
Andere Erneuerbare
Quelle solarwirtschaftde
Cell technology shares in 2007
andashSimicrocndashSi 52
CdTe 47
CIS 05
Ribbon cndashSi 22Others 01
multi cndashSi 452 mono cndashSi 422
Source Photon International March 00
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
高品質矽薄膜成長
NDL目前擁有兩組沉積系統可成長高品質的矽薄
膜分別是高密度電漿化學氣相沉積系統（High Density
Plasma Chemical Vapor Deposition HDPCVD）及電漿
熱線式化學式氣相系統以下將分別討論
A 高密度電漿化學氣相沉積系統
國家奈米元件實驗室目前擁有一組枚葉式的多腔體
HDPCVD系統分別負責成長矽薄膜材料的 pi及 n層
薄膜CVD系統需要多個腔體的原因是為了薄膜沉積後
殘餘腔體內的硼及磷原子會有交叉汙染的問題因此會降
低 pndashindashn三層的薄膜品質造成太陽能電池的品質控制不
易及轉換效率的降低將 pi及 n層薄膜由各自獨立
的腔體所沉積的方法亦是目前國際上大部分的設備商所
採用的而利用本系統所成長之矽薄膜由於薄膜的沈積
及摻雜都於同一機台上進行製作因此具備沈積效率佳
低成本且具有高均勻性的特性
高密度電漿化學氣相沉積系統可製備低溫品質優
良且具有各種能隙之矽薄膜目前已成功的開發出異質
接面薄膜太陽能電池所需的本質層及 p n 摻雜層本質層
（Intrinsic Layeri layer）對於薄膜型太陽電池之電特性影
響最大因為當電子與電洞在材料內部傳導如其距離過
長兩者再結合機率極高為避免此現象發生i層不宜
過厚但如太薄又易造成吸光不足因此我們將導入
HDPCVD 系統成長厚度約略為 2000ndash4000Aring的非晶矽薄
膜以作為薄膜太陽電池結構之 i層
相對而言針對非晶矽薄膜的分析結果如能隙
（Energy Bandgap Eg）鑑定等本團隊已具備相當純熟之
技術於能隙的量測上本團隊採用橢圓儀的偏極光照射
方式來量測其能隙值或是利用托克模型（TaucndashModel）
方法擬合其能隙如圖 3所示再利用紫外 ndash可見光光譜
儀（UVndashVisible Spectrum）量測其穿透率可見本團隊利
用 TaucndashModel方法所擬合之非晶矽薄膜的能隙大小約略
為188eV因此符合非晶矽具備高能隙可吸收短波長之特
點以利太陽能電池吸收更接近太陽光光譜之特性
製作異質結構太陽能電池需要分別摻雜硼原子及
磷原子製作 p型及 n型矽薄膜高品質低阻抗的摻雜
層可以提高開路電壓降低串聯電阻及降低逆向電流
在 nndashlayer的製備上是藉由外加通入之 PH3氣體並導入
HDPCVD系統形成厚度約略為100ndash200Aring 並具有五族
元素 P之非晶矽 nndashlayer而在 pndashlayer的製備上是藉由
外加通入之 B2H6氣體並導入 HDPCVD系統形成厚具
有五族元素 B之非晶矽 pndashlayer如圖 4所示藉由電性
量測可明確的得到 nndashlayer的電阻率可低於 10 ohmndash
cm而 pndashlayer的電阻率約在 104 ohmndashcm兩者都符合
具有良好元件特性的摻雜層要求
B 電漿 熱線式化學式氣相沉積成長高品質矽薄膜
為了達到具有低成本大面積尺寸薄膜太陽能電池
量產之目標除了目前所使用之 HDPCVD系統外本研
究團隊將嘗試發展新型薄膜沈積系統以利未來能更迅
速完成高品質大面積薄膜生產之宗旨普遍而言製
圖 andashSi能隙擬合圖
圖 左圖為 nndashlayer電性量測結果右圖 pndashlayer電性量測結果
0
0
0
0
0
00
0
00 0 0 0 0 0
Photon Energy（eV）
（ά h
v） （
ev c
m ）
Tran
smis
sion（
）
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
00
0
0
ndash0
ndash00
ndash ndash ndash 0
p= [Ωcm]p=00 [Ωcm]p=0 [Ωcm]
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
0
ndash
ndash ndash 0
p=times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]p=0times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]
（a） （b）
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
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Hsieh P C Yao J H Wang W C Chen Thin
Solid Films 498 9 2006
[12] M Otobe S Oda J NonndashCryst Solids 164165
993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
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年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
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邀蒞臨本會場（圖 1）
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專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
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部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
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5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
高品質矽薄膜成長
NDL目前擁有兩組沉積系統可成長高品質的矽薄
膜分別是高密度電漿化學氣相沉積系統（High Density
Plasma Chemical Vapor Deposition HDPCVD）及電漿
熱線式化學式氣相系統以下將分別討論
A 高密度電漿化學氣相沉積系統
國家奈米元件實驗室目前擁有一組枚葉式的多腔體
HDPCVD系統分別負責成長矽薄膜材料的 pi及 n層
薄膜CVD系統需要多個腔體的原因是為了薄膜沉積後
殘餘腔體內的硼及磷原子會有交叉汙染的問題因此會降
低 pndashindashn三層的薄膜品質造成太陽能電池的品質控制不
易及轉換效率的降低將 pi及 n層薄膜由各自獨立
的腔體所沉積的方法亦是目前國際上大部分的設備商所
採用的而利用本系統所成長之矽薄膜由於薄膜的沈積
及摻雜都於同一機台上進行製作因此具備沈積效率佳
低成本且具有高均勻性的特性
高密度電漿化學氣相沉積系統可製備低溫品質優
良且具有各種能隙之矽薄膜目前已成功的開發出異質
接面薄膜太陽能電池所需的本質層及 p n 摻雜層本質層
（Intrinsic Layeri layer）對於薄膜型太陽電池之電特性影
響最大因為當電子與電洞在材料內部傳導如其距離過
長兩者再結合機率極高為避免此現象發生i層不宜
過厚但如太薄又易造成吸光不足因此我們將導入
HDPCVD 系統成長厚度約略為 2000ndash4000Aring的非晶矽薄
膜以作為薄膜太陽電池結構之 i層
相對而言針對非晶矽薄膜的分析結果如能隙
（Energy Bandgap Eg）鑑定等本團隊已具備相當純熟之
技術於能隙的量測上本團隊採用橢圓儀的偏極光照射
方式來量測其能隙值或是利用托克模型（TaucndashModel）
方法擬合其能隙如圖 3所示再利用紫外 ndash可見光光譜
儀（UVndashVisible Spectrum）量測其穿透率可見本團隊利
用 TaucndashModel方法所擬合之非晶矽薄膜的能隙大小約略
為188eV因此符合非晶矽具備高能隙可吸收短波長之特
點以利太陽能電池吸收更接近太陽光光譜之特性
製作異質結構太陽能電池需要分別摻雜硼原子及
磷原子製作 p型及 n型矽薄膜高品質低阻抗的摻雜
層可以提高開路電壓降低串聯電阻及降低逆向電流
在 nndashlayer的製備上是藉由外加通入之 PH3氣體並導入
HDPCVD系統形成厚度約略為100ndash200Aring 並具有五族
元素 P之非晶矽 nndashlayer而在 pndashlayer的製備上是藉由
外加通入之 B2H6氣體並導入 HDPCVD系統形成厚具
有五族元素 B之非晶矽 pndashlayer如圖 4所示藉由電性
量測可明確的得到 nndashlayer的電阻率可低於 10 ohmndash
cm而 pndashlayer的電阻率約在 104 ohmndashcm兩者都符合
具有良好元件特性的摻雜層要求
B 電漿 熱線式化學式氣相沉積成長高品質矽薄膜
為了達到具有低成本大面積尺寸薄膜太陽能電池
量產之目標除了目前所使用之 HDPCVD系統外本研
究團隊將嘗試發展新型薄膜沈積系統以利未來能更迅
速完成高品質大面積薄膜生產之宗旨普遍而言製
圖 andashSi能隙擬合圖
圖 左圖為 nndashlayer電性量測結果右圖 pndashlayer電性量測結果
0
0
0
0
0
00
0
00 0 0 0 0 0
Photon Energy（eV）
（ά h
v） （
ev c
m ）
Tran
smis
sion（
）
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
00
0
0
ndash0
ndash00
ndash ndash ndash 0
p= [Ωcm]p=00 [Ωcm]p=0 [Ωcm]
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
0
ndash
ndash ndash 0
p=times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]p=0times0 [Ωcm]p=times0 [Ωcm]
（a） （b）
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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Cellsrdquo Nanotechnology 19 295203 2008
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
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10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
備矽薄膜主要的方法是以電漿輔助並利用化學式氣相沈
積的方式加以製備如常見的電漿增強型化學式氣相沈
積法（PECVD）或是特高頻電漿增強型化學式氣相沈積
法（Very High Frequency Plasma Enhance Chemical
Vapor Deposition VHFndashPECVD）等然而PECVD設備
成本因為涵蓋了電漿系統（Glow Discharge System）因
此較為昂貴而其較低的薄膜沈積率（每秒低於十埃）及
小結晶尺寸（Crystallite Size）在大面積的製備上相對
而言亦較為困難
於 1979年所提出的 CatalyticndashCVD或稱熱線式化
學式氣相沉積（HotndashWire Chemical Vapor Deposition
HWCVD）具有高沈積率低成本較大的結晶尺寸及高
的電子遷移率（Electron Mobility）的優點日前於 2006
年中興大學材料系武東星教授也發表了利用HWCVD製
備了具有高結晶度（Crystallinity）高電子遷移性的多晶
矽薄膜其結晶厚度可達 08 microm而電子遷移率亦可達
285 cm2VS[10]因此可加以應用於太陽能電池上提高
其轉換效率另外根據M Otobe等人於 1993年及 C
Godet等人於 1995年所提出的研究論文中指出若通入
氫與矽烷（Silane SiH4）稀釋不同的比例將可獲得由非
晶矽（Amorphous Si andashSi H）轉換而成的微晶矽薄膜
（Microcrystalline Silicon microcndashSi H）[1112]綜上所述利
用HWCVD將有助應用於商業界之大尺寸太陽能電池的
發展並達到高效率及低成本太陽能電池之目標
本研究團隊利用電漿輔助化學式氣 相沈積
法 （PlasmandashAssisted Chemical Vapor Deposition
PACVD）藉由此系統的原子層沈積系統在相同硬體架
構下加入 HWCVD功能結合電漿及Hotndashwire之優點
達到使氣體分子提高解離率（Dissociation）化學反應及
增加薄膜沈積品質之功效並具有低沈積溫度的可能藉
此可達到發展迅速低溫大面積矽薄膜沈積的優勢
本團隊目前亦可成功的以 HWCVD系統在六吋基板
上成長高均勻度高品質 polyndashSi薄膜如圖 5所示其
厚度為 500nm由 AFM的資料可得知 polyndashSi薄膜表
面非常平坦 （Rq14 nm）晶粒大小（Grain Size）可達
到 43～ 52 nm如此大尺寸的晶粒在在的表現出優良
的薄膜品質此外藉由調變 H2SiH4流量的比例可以
調變矽薄膜的結晶特性如圖 6所示經由 XRD（XndashRay
Diffraction XRD）量測後的分析結果可明顯看出在高氫
流量的製程參數下所成長之矽膜具有明顯之多晶矽峰值
由結果可知本團隊所利用之 HDPCVD具備低溫短時間
及結晶性（Crystallinity）佳的優點且其多晶矽結晶方向
（Crystal Orientation）出現在（111）（220）及（311）之
方向Raman的量測結果也顯示代表著非晶矽吸收峰的
480 cmndash1在在高氫流量的製程參數下顯得非常微弱而
代表著多晶矽吸收峰的 510 cmndash1訊號則明顯的變強此
結果也確認高氫流量的製程參數對矽薄膜得結晶特性有
明顯的改善
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情況
下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺點並
圖 以 HWCVD在 吋基板上成長高品質多晶矽薄膜
圖 Raman及 Xndashray 量測矽薄膜結晶特性此薄膜以HWCVD成長並調配不同氫流量製程參數
AFM
inch polyndashSi
SEM
Rq nmRa nm
Grain Size ndash nm
SEM
0 cmndash
cmndash
350 400 450 500 550 600Ranman shift（cmndash1）
SiH 0 H 0
SiH 0 H 0
25 30 35 40 45 50 55 602θ（degree）degree））
SiH 0 H 0SiH 0 H 0SiH 0 H 0
（111）111））
（220）220））（311）311））
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
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[12] M Otobe S Oda J NonndashCryst Solids 164165
993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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with FullerenesrdquoSynthetic Metals 118 pp1一 9 2001
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Solar CellsrdquoAdv Funct Mater 11 P15一 26
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Polymeric Photovoltaicsrdquo Solar Energy Materials amp
Solar Cells 83（2004）pp125一 146 2001
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
Materials amp Solar Cells 93 pp884一 887 2009
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
沈積不同種類之矽薄膜如poly Si等並再外加摻雜如
硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層以提高太
陽光能之吸收結構之製備而多晶矽薄膜是屬於低能隙
（Eg ～ 11eV）材料因此需要較厚的厚度才能有效將光
子吸收產生足夠的光電子而 HWCVD本身所具有之高沈
積速率及大面積發展的優點更適合發展多晶矽結構勢
必將可為本團隊於薄膜太陽電池之發展上有如虎添翼
之效果
另一方面為提升太陽電池之製備及開發以加速能
在短時間內生產具備高效率低成本之薄膜太陽能電池
本團隊除了先前所提及之 HDPCVD系統外現階段所開
發之 HWCVD系統也具備沈積不同能隙並可摻雜三五
元素之優勢如圖 7以 HWCVD所成長的 p及 n摻雜
層有著相當低的阻抗可預期將會有更好的元件特性此
外利用現階段所開發之 HWCVD系統在無電漿源的情
況下可大幅減低電漿損傷（Plasma Damage）之缺勢
並沈積不同種類之結晶矽如andashSiHpoly Si等並再外
加摻雜如硼或鉮元素的情況下可形成不同能隙之吸光層
以提高太陽光能之吸收
穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide TCO）之製備
為了提高太陽電池之特性通常在形成電極前會先
沈積一層穿透導電膜（Transparent Conduction Oxide
TCO）以利光源能順利照入太陽電池之反應層內（i層）
並避免有反射之弊提高光子進入之入徑一般而言透
明導電膜皆以濺鍍法所形成其靶材可選用銦錫氧化層
（Indium Tin Oxide ITO）二氧化錫（Stannum Dioxide
SnO2）氧化鋅（Zinc Oxide ZnO）作為該穿透導電膜之
材料其中 ITO薄膜具有高透光性及良好的導電性已被
廣泛的應用為各種光電元件及太陽能電池的導電電極
如圖 8所示藉著調配最適合的成長溫度及氧氣流量
NDL已成功的成長高穿透率低導電度 ITO薄膜並藉
由退火製程可更進一步提升 ITO薄膜的特性
矽基太陽能電池平台
結合高品質矽薄膜的成長技術低阻抗 pndashtype及 nndash
type非晶矽薄膜的摻雜技術及高穿透率低阻抗透明導
電膜 ITO的沉積技術我們初步建立的矽基太陽能電池製
程平台如圖 9所示包括兩組異質結構太陽能電池平台
及一組矽薄膜太陽能電池平台兩組異質結構太陽能電池
皆是使用 IC級的 p型矽晶圓當基板並以濺鍍鋁當背電
極第一組異質結構太陽能電池是以爐管的方式成長 n型
摻雜的多晶矽於氮氣環境下溫度 600 退火 30 min並
以 SiNx當作抗反射層第二組異質結構太陽能電池是以
HDPCVD的方式成長 n型及本質層非晶矽並以 ITO當
作抗反射層由於基板阻值過高無表面粗造化製程及
無背電場設計（BSF）目前效率分別是 46及 28在
矽薄膜太陽能電池部分在鍍有 ITO的玻璃基板上成長 p
型n型及本質層非晶矽薄膜再以 ITO當作抗反射層目
前已成功的研發出單一接面非晶矽薄膜太陽能電池其轉
換效率為 53這些簡單結構太陽能電池平台可供新技
術及材料的驗證如 SiGeCOxide Doped Materials和
矽量子點並以此雛型製程平台持續發展高轉換效率太陽
能電池技術
結論
NDL目前已成功以高密度電漿化學氣相沉積系統
（HDPCVD）及電漿 熱線式化學式氣相沉積系統成長出
高品質的 p型本質層及 n型非晶矽薄膜並已最佳化
透明導電層 ITO的成長參數可以 Sputter系統成長出高
穿透率且低阻抗的透明導電膜經由製程整合初步的矽
基太陽能電池元件已完成此結果可當作一良好的太陽能
平台可驗證太陽能薄膜特性及新穎的技術未來也將持
續的改善製程
參考文獻
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993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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[19] C Russel J NonndashCryst Solid 219 212 1997
後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
矽基薄膜於太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
[2] ldquoSolar generation Vndash2008Solar electricity for over
one billion people and two million jobs by 2020rdquo
EPIA Sep 2008
[3] A Shah P Torres R Tscharner N Wyrsch H
Keppner Science 285 692 1999
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2775 1989
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Science 113 734 1997
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Hsieh P C Yao J H Wang W C Chen Thin
Solid Films 498 9 2006
[12] M Otobe S Oda J NonndashCryst Solids 164165
993 1993
圖 以 HWCVD所成長的低阻抗 p及 n摻雜層 圖 高穿透率低導電鍍 ITO薄膜
圖 三種矽基太陽能電池的製造平台
0
0
ndash
ndash0
PH 0 sccmResistivity ohmndashcm
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（a）
00
0
0
0
0
000 00 00 00 00 00
Wavelength（nm）
Tran
smis
sion（
）
before annealingO flow 0 sccm Resistivity = 0 times0ndash ohmndashcmafter annealingO flow 0 sccm Resistivity = times0ndash ohmndashcmGlass
Voltage（V）
Cur
rent（μΑ）
ndash ndash ndash 0
（b）
000000
0ndash0
ndash00ndash0ndash00
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
BH 0 sccm Resistivity = times0
Type of Solar cell
Furnace Si thin film on crystalline Si substrate
Plasma Si thin film on crystalline Si substrate
Complete Si thin Film
Structure
IndashV curve
Efficiency 46 285 53
00 0 0 0 0 0 0
00
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
000
Voltage（V）
Cur
rent（
mΑ
cm
2 ）
00 0 0 0
0
0
0
0
Voltage（V）
Cur
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cm
2 ） Efficiency Voc 0 VJsc AFF
Efficiency Voc 0 VJsc mAcm
FF
Jsc mAcm
Voc 0 VFF η D mm
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
0
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製Development and Fabrication of Silicon Nanowires Thin Film Solar Cell
thinsp矽奈米線 Silicon Nanowiresthinsp氣 ndash液 ndash固 VaporndashLiquidndashSolidthinsp第三代太陽能電池 rd Generation Solar Cells
關鍵詞 Keywords
劉建惟thinspthinsp李彥希thinspthinsp戴寶通國家奈米元件實驗室
主題文章 2
摘要
本研究主要為研製一高效率矽奈米線
太陽能電池利用氣 ndash液 ndash固成長技
術達成大面積成長具超高比表面積
低反射率可調能隙及寬頻光吸收之矽
奈米線以大大提升電池效率並將其
應用於第三代太陽能電池目前已完成
（1）矽奈米線太陽能電池之元件設計
（2）矽奈米線之製備技術開發（3）矽
奈米線之部份材料分析及光特性量測
以及（4）矽奈米線太陽能電池試製
試製完成之矽奈米線太陽能電池其表
面具絕佳之抗反射特性低於 008之超低反射率於 A M15光源100
mW cm2之光強度照射下可以獲得
Vo c sim042 VJ s c sim185 mA cm2
FFsim6798 ηsim053
Abstract
This study is to develop and fabricate a high efficiency silicon
nanowires (SiNWs) solar cell The large area growth of SiNWs
which have a super high specific surface area a low reflectance
the tunable energy band gaps (Egs) and a wider absorption range
of light will be developed to enhance the efficiency of solar cells
by using vaporndashliquidndashsolid (VLS) method for the advanced
applications of 3rd generation solar cells In the present the
completed work tasks include with (1) the design of SiNWs solar
cell (2) the development of growth technique of SiNWs (3) the
measurement and analysis of the material and optic properties
of SiNWs and (4) the test of fabricated SiNWs solar cell The
completed prototype of SiNWs solar cell has an excellent antindash
reflection capability and a lowest reflectance of lt 008 This cell
can provide a Voc of 042V a Jsc of 185mAcm2 a FF of 6798
and an energy conversion efficiency (η) of 053 under the AM15
illumination with an incident light intensity of 100 mWcm2
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
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主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
簡介
太陽能電池（Solar Cell）由於材料本身的不同可
分為單晶多晶薄膜及化合物半導體幾種EPIA 2007
年全球太陽能電池市佔率統計其中矽晶太陽能電池約
佔 874薄膜太陽能電池約佔 104[1]由於矽材料較
易取得且環保再則矽基（Silicon Based）元件的製造與
設備技術十分成熟因此預估至 2050年全球矽基太陽
能電池市場仍可維持 80的市佔率至於 IIIndashV 族由於成
本較高大多使用於人造衛星及集光型系統（包含聚光
鏡散熱板追日裝置等）中市場佔有率僅約為 01
其他薄膜太陽電池市場佔有率則約為15上述幾種電
池結構都有其本質的缺點為了解決單一能隙半導體材料
無法完全有效地吸收來自太陽光的全波長頻段之光子能
量於是有人就提出第三代太陽能電池的概念所謂第三
代太陽能電池（3rd Generation Solar Cells）就是一種可
以吸收全波長光子能量的新型太陽能電池概念如何達
到全波長的光子能量吸收呢 可利用多種不同半導體能
隙的材料作組合分別來吸收各段波長的光子能量來達
成其組合可為堆疊（Tandem）或是混成（Hybrid）等方
式然而不同半導體能隙的材料又該如何製造呢 當半
導體材料的尺寸縮小至奈米甚至量子尺度時隨著不同尺
寸的變化其能隙（Eg）也會隨之變化因此奈米技術
（Nanotechnology）就是一項重要關鍵可利用奈米技術
來製造各種不同尺寸的半導體奈米材料（如量子點奈
米粒子奈米線奈米柱等）經由堆疊或是混成等方式
來達成這個要求如果太陽能電池內採用了更多種具有不
同半導體能隙的材料作為新組合那麼電池能吸收的光
子能量分佈將會更接近於太陽光光譜電池的光電轉換
效率將會大大的提升期望能在低空間與低材料需求的
情況更能加以利用太陽光來維持人類所需的電力奈米
技術在此即有可能發揮極大的效用
隨著奈米科技突飛猛進本研究小組開始想將這些
奈米材料技術（量子點奈米粒子奈米線奈米柱等）
加到矽基太陽能電池的結構內因為奈米技術其實就是能
帶工程而要達成高光電轉換效率不外乎需要更多吸收
頻帶（More Bandgap）或連續能帶（Continuous Band）
的半導體材料可更有效率的利用光子（Photons）
或是重新讓光子的能量分配於光電效率較高的光波段
（Redistributing Photons）然而目前單晶矽與多晶矽
太陽能電池的最高效率分別為 247203非晶矽與
奈米結晶矽薄膜太陽能電池的最高效率僅分別為 95
101[2]因此太陽能電池的效率尚有一大段改善空間可以
發揮
2002年 Ji等人[3]利用金屬誘發成長（MIG）的矽奈
米線（Silicon Nanowires SiNWs）能夠應用於太陽能
電池的構想以期提昇光電流強度2005年 Kayes等人
利用數值模擬計算以 Nanorods（矽（Si）和砷（As））為
主結構於徑向形成 pndashn junction的新式太陽電池 [4]
根據理論模擬結果發現此結構可能可以有效克服傳統平
面型太陽電池於光子吸收路徑（Absorption Depth）與少
數載子擴散距離（Diffusion Length）中相互受限而無法
提高效率的缺點理論估算最高之電池效率（PCE）可達
112007年 Hu等人利用數值模擬分別計算線徑 50
6580nm之徑向 pndashn junction矽奈米線太陽能電池光
吸收與效率發現三維矽奈米線的吸收範圍較矽薄膜型
結構寬廣理論估算最高的電池效率可達 16[5]2007年
General Electric Global Research CenterTsakalakos
等人實際利用矽奈米線製作成矽薄膜太陽能電池其效率
為 01[6]2008年 Stelzner等人同樣利用矽奈米線製作
成異質接面矽太陽能電池其效率為 01[7]雖然目前矽
奈米線太陽能電池的實際效率並不高但其未來可發展的
潛能卻是驚人的因此代表此技術尚有許多值得解決與
開發的空間
綜合上述相關文獻顯示奈米光電材料應用於新式太
陽能電池設計將是一個未來極為重要的技術發展趨勢
也是改進太陽能電池效率的重要方向然而目前於實
驗室中發展的奈米光電材料製備技術（TopndashDown或者
BottomndashUp）都不適合於大量商業化生產的應用因
此本研究計畫主要目標希望能夠利用 VLS的成長方式
達成大面積成長矽奈米線陣列此三維結構的最大優點
可利用 SiNWs如同樹支狀奈米級的超高比表面積以提
升電池表面的受光總表面積並且可作為太陽光的抗反射
層（AntindashReflection Layer）最後製作不同線徑尺寸的矽
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主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
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矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
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National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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奈米線以調控其能隙大小以增加對太陽光的吸收率
並將其應用於第三代太陽能電池中本研究計畫主要針對
矽奈米線太陽能電池之構想進行詳細研究與開發包括
有大面積製備矽奈米線之成長技術矽奈米線之電性Ouml
雜與控制技術元件光電轉換效率之量測與分析以及大
面積製造與商業化應用等
元件設計與製程規劃
A 矽奈米線太陽能電池設計
圖 1為一新穎 SiNWs太陽能電池之結構設計大
面積成長 SiNWs之優點（1）SiNWs樹支狀三維奈米
級結構具有超高比表面積可有效增加電池表面的受光
表面積（2）可作為太陽光的抗反射層增加太陽光的吸
收率（3）可改變 SiNWs線徑大小調整 SiNWs的能隙
（Eg ≧ 112）因此 SiNWs可負責可見光（Visible）與紫
外光（UV）波段的吸收最後如果可以順利將此元件結
構製作完成預期將可有效地增加太陽能電池的光電轉
換效率
B 矽奈米線太陽能電池製程規劃
於不鏽鋼基板表面以 CVD方式沉積製作 indashployndash
Sn++ ployndashsiliconstainless steel 多層結 構之後
隨即於此多層結構表面利用濺鍍（Sputtering）方式沉
積 10nm奈米金粒子（Au Nanoparticles NPs）如圖 2
（a）所示
將試片以 LPCVD方式同時通入 SiH4與 H2氣體
調配適當 SiH4H2氣體混合比例於 620爐溫下成長
SiNWs如圖 2（b）所示
利用鋁（Al）金屬沉積與退火（Annealing）進行試
片之 p++雜質摻雜於 SiNWs陣列表面形成 p++ layer
退火完畢移除殘留之 Al金屬如圖 2（c）所示
最後於試片上下表面利用 Sputtering沉積 Al
電極此太陽能電池元件即完成製作如圖 2（d）所示
結果與討論
A SiNWs之製作與材料分析
本實驗主要為找出較佳的 SiNWs成長條件以其應
用於 SiNWs太陽能電池的製作本研究發現 SiNWs製
圖 矽奈米線太陽能電池示意圖
圖 矽奈米線太陽能電池製程規劃
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矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
參考文獻
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Cellsrdquo Nanotechnology 19 295203 2008
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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6477 2003
[4] O Jani C Honsberg A Asgar D Nicol I
Ferguson A Doolittle and S Kurtz ldquoIEEE
Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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National Nano Device Laboratories
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
0 0
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
備的製程溫度為一重要關鍵參數可以決定 SiNWs的
結晶優略程度結果明顯顯示於製程溫度 620可製備
出單晶結構的 SiNWs因此為了找出適合製作此電池
的 SiNWs獲較佳的深寬比（Aspect Ratio）參數本
實驗先設定以 10 nm Au NPs作為 VLS成長所需要的
觸媒源以製程壓力 350mtorr與製程時間 60 min作為
成長條件僅分別改變不同的 SiH4H2氣體混合比例為
100sccm100sccm 100sccm200sccm 100sccm400
sccm 三組結果如圖 3 所示發現 於 SiH4H2=100
sccm200sccm的結果可獲得較佳的均勻線徑及線高
均勻線徑約為 200 nmSiNWs線高約為 6 microm如圖 3
（c）（d）所示然而SiH4H2=100sccm200sccm的結
果可以獲得較高密度的 SiNWs如圖 3（c）所示另外
SiH4H2=100sccm400sccm的結果發現 SiNWs線徑較
不均勻線高較短約為 4 microm如圖 3（e）（f）所示
如圖 4所示同樣使用 10 nm Au NPs作為觸媒
源而僅改變製程時間為 240 min製程壓力維持 350
mtorr製程溫度 620改變不同的 SiH4H2 氣體混
合 比 例 為100sccm100sccm 100sccm200sccm
100sccm400sccm三組卻發現於氣體 SiH4H2=100
sccm100sccm100sccm400sccm的結果可以獲得
較佳的均勻線徑及線高均勻線徑約為 200 nm線高
約為 30 microm如圖 4（a）（b）與圖 4（e）（f）所示然
而SiH4H2=100sccm400sccm的結果可獲得較高密度
的 SiNWs如圖 4（e）所示60 min240 min製程時間
的 SiNWs由Raman spectra分析結果發現隨著的製程
時間增長其結晶性減弱但結晶性皆可保持為單晶矽特
性如圖 5所示
B 矽奈米線太陽能電池之製作及其光學特性與 IndashV量測
首先進行於不鏽鋼基板表面製備 SiNWs之測試
以 10nm Au NPs作為觸媒源製程壓力 350 mtorr製
程溫度 620SiH4H2=100 sccm200 sccmSiNWs成
長時間為 60 min的測試結果發現直接於不鏽鋼基板表
面而沒有種晶層（Seed Layer）沉積的試片是完全無法
成長 SiNWs如圖 6（a）所示然而於不鏽鋼基板表面
預先沉積 800nm PolyndashSilicon Layer則可順利成長出
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長 條 件 為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
圖 SEM照片以 0nm Au NPs作為觸媒SiNWs成長條件為 SiHH（a）（b）00sccn00sccm（c）（d）00 sccn 00sccm and（e）（f）00sccn00sccm製程壓力溫度時間分別為 0mtorr00min
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 2 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
預期所需之 SiNWs如圖 6（b）所示此與本設計的元
件結構一致
本試片隨後利用UV spectra量測儀進行 SiNWs表
面之反射係數的量測與分析分光掃瞄之波長範圍介於
200nmndash1100nm結果顯示 SiNWs陣列具有極低的反
射率最高的反射係數約為 008 （～ 1040nm）特別
的是光波長＜ 530nm的範圍反射係幾乎接近零（～
0）這結果與較高能隙（Eg ＞112）之 SiNWs可能可
以吸收紫外光（UV）與深紫外光（DUV）之光學特性的推
論非常吻合此外具高深寬比的 SiNWs奈米結構亦可
吸收絕大部分的可見光這結果也十分符合預期的元件設
計需求如圖 7所示試製完成之 SiNWs Solar Cell原
型的有效照光面積為 3cmtimes3cm其 IndashV量測結果如
圖 8所示本電池元件於 AM15光源100mWcm2照射
條件下可獲得 Voc ～ 042VJsc～ 185mAcm2FF～
6798η～ 053
結論
本研究已成功地利用矽奈米線陣列試製具反射
率低於 008 以下的表面本元件於 AM15光源
100mWcm2 之光照射條件下可以獲得 Voc ～ 042V
Jsc～ 185mAcm2FF～ 6798η～ 053
致謝
本計畫作者非常感謝行政院國科會 96年度經費補
助得以順利執行本項研究計畫編號 NSC 96ndash2221ndashEndash
492ndash012ndashMY3
圖 SiNWs成長 0min與 0min 之 Raman spectra analysis結果
圖 SEM照片（a）無 與（b）有沉積一多晶矽種晶層而後再成長 SiNWs之結果
圖 SiNWs 表面之反射率結果最高的反射係數約為00 （～ 00nm）光波長＜ 0nm的範圍反射係幾乎接近零（～ 0）
圖 SiNWs太陽能電池於 AM00 mWcm模擬光源
照射下之 IndashV特性
Raman shift（cmndash1）
Inte
nsity（
arb
uni
ts）
0 0 0 0 00 0 0 0 0 00
SiNWs polyndashSi（000A） stainless steelAu NPs 0 nmProcess press 0 mtorrProcess temp 0SiH 00 sccmH 00 sccm
0 min0 min
Vlotage（V）
J（m
A c
m2）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
00 00 00 00 00 00 00 00 000 00
Wavelength（nm）R
eflec
tanc
e（）
Al SiNWs indashpoly p++ poly stainless steel Al Au NDs 0 nmPressure 0 mtorrTemperature 0Deposition time 0 minSiH 00 sccmH 00 sccm
PointndashPointndash
00
0
0
0
0
00
00
00
00
00
矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
參考文獻
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Cellsrdquo Nanotechnology 19 295203 2008
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
Materials amp Solar Cells 93 pp884一 887 2009
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
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訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
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總編輯 謝嘉民
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矽奈米線薄膜太陽能電池之研製National Nano Device Laboratories
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主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用Nanocrystal Application for Solar Cell
曾治國thinspthinsp李明昌國立清華大學光電所
關鍵詞 Keywords
主題文章 3
摘要
為了提高矽太陽能電池的轉換效率
有效吸收太陽能光譜範圍是提高效
率的重要方法本文中探討奈米晶矽
（N a n o c r y s t a l S i l i c o n）的光電特
性及將這些結構化奈米晶矽薄膜應用
於矽太陽能電池的吸收層來產生更高
轉換效率的作法我們提出在退火過程
中以外加電場的方式可增進奈米晶矽的
形成實驗結果顯示在經外加電場處理
過後的樣品在光激發光譜有增強的成
果預計可將此技術應用於奈米晶矽太
陽能電池
thinsp奈米晶矽 Nanocrystal Siliconthinsp堆疊式（Tandem）結構 thinsp超晶格（Superlattice）結構thinsp相分離 Phase Separation
Abstract
In order to increase conversion efficiency of solar cells it is
important to absorb solar spectrum range efficiently In this
paper we discuss the optoelectronic property of nanocrystal
silicon and the nanondashstructure used as an absorption layer
to enhance conversion efficiency We propose that inndashsitu
applied electric field during postndashannealing process could
help nanocrystal formation Experimental results show that is
enhanced the photoluminescence
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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Solar Cells 83（2004）pp125一 146 2001
[4] FndashJ Haug T Soumlderstroumlm M Python V
TerrazzonindashDaudrix X Niquille C Ballif ldquoDevelopment of Micromorph Tandem Solar Cells on
Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
Materials amp Solar Cells 93 pp884一 887 2009
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
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0
0
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00
Without annealing
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000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
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ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
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4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
前言
利用地球上極豐富的矽元素當成半導體材料
是最符合成本與穩定性目前第一代的矽晶圓光伏打
（Photovoltaic） 技術占大部分太陽能電池的產量全球為
了解決成本問題積極考慮了第二代的薄膜太陽能電池的實
用性但是相較於矽晶圓方式的太陽能電池薄膜太陽能
電池的效率低仍然是其缺點為了補足效率問題第三代
太陽能電池將是未來研究趨勢並且將單位瓦數產生價格
（US$W）控制到 US$1W 以下才具競爭力 [1]基於全球
目前對矽材料及其元件製作技術的成熟以及矽材料應用
的廣泛及廉價故未來矽奈米發光材料將為奈米光電材
料中最熱門的重點之一如果把成熟的矽半導體製程技術
與矽發光材料結合起來實現光電整合那未來將給矽材
料的發展注入新的活力為矽工業的發展帶來新的生產
點目前可以提升間接能隙材料的發光方法例如多孔隙
（Porous Silicon）結構超晶格（Superlattice）結構奈
米線（Nanowire）奈米點（Nanodot）結構 [2ndash10]量子侷
限效應可以提高發光效率其原因為電子電洞對在矽量子
點中奈米級的矽量子點使得電子電洞被侷限在其中而增
加其復合效率進而產生發光就此點而論三維被侷限
的矽量子點的發光效率會大於二維被侷限的矽奈米線
而二維被侷限的奈米線的發光效率會大於一維被侷限的
超晶格結構就奈米晶矽量子點而言當量子點尺寸越小
時其能帶就變得越大
量子結構化
為了將矽材料的光吸收效率提升利用堆疊式
（Stack）結構可將不同波段的太陽光光譜完全吸收提
升太陽能電池的光轉換效率 [11ndash13]第三代太陽能電池的
技術引用了奈米技術與量子結構設計將是第三代矽太
陽能電池的研究重點圖 1（a）（b）是三層與兩層的堆
疊式（Tandem）結構太陽能電池這兩種設計都是應
用了矽量子點結構的吸收光譜範圍來提升光吸收後的載
子（Carrier）產生效率不同於塊材（Bulk）矽材料的非
直接（Indirect） 能隙矽量子點具有量子局限效應產生
的能階分裂情形能階分裂情形可以產生間接能隙塊材
（Bulk）矽材料所無法產生之放射光譜分佈也因為有效
光能隙之增強現象提高光的吸收範圍應用矽量子點結
構的尺寸大小控制吸收的光譜的波長範圍其量子點吸收
的光子能量大約從 15eV到 20eV吸收完的光子能量將
轉換成載子（Carrier）最後由正負兩端將載子傳導出
形成光轉換之電流為了將奈米晶矽量子點結構應用在太
陽能電池上必須有效的將不同的光頻譜範圍吸收並轉
換成電訊號奈米晶矽量子點結構必須可以吸收太陽光光
譜更重要的是產生後的載子對有效萃取出來才可以提
高整體的太陽能電池效率圖 2（a） （b）為奈米晶矽薄
膜層的結構化示意圖如圖 2（a）所式為塊材氧化矽材料
經過高溫退火以後形成無序的奈米晶矽顆粒這些奈米
晶粒的尺寸控制主要是由矽含量溫度和時間來決定相
較於圖 2（b）的超晶格（Superlattice）結構化排列這
樣的設計將有效控制尺寸大小與位置達到該層薄膜更
廣的吸收光譜但是這樣的超晶格結構必須精準控制每
一層的厚度使得產生的載子可以利用穿隧（Tunneling）
效應將載子傳送到元件兩端
圖 （a）三層（b）雙層的堆疊結構於太陽能電池的應用 []
圖 矽富有結構於（a）單一層（b）多層結構的相分離情形 []
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Middle SindashQD cellEg = eV
QD junction
Unconfined Si cellEg = eV
N
PN
PN
P
P+
Light
N
PN
P
P+
Light
QD emitterTop SindashQD cellEg = eV
QD junction
Bottom Si cellEg = eV
（a） （b）
Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
lt SiCx SiO SiN
AnnealingSubstrate
Multilayersuperlattice⎬
Si QD
（b）
Substrate Substrate
lt SindashxCx SiOx SiNx
AnnealingSi QD
（a）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
[1] L T Canham et al Appl Phys Lett 57 1990
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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National Nano Device Laboratories
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
圖 3為矽量子的穿透電子顯微鏡（TEM）照片利用
多層交錯薄膜沉積方式矽量子點會在介電質材料中排列
成有晶相的奈米結構圖中顯示出超晶格結構的實體圖
且矽量子點所形成的位置會被區分開來利用多激子對產
生（Multiple Exciton Generation）觀念得到更多的載子
對此種能帶設計會吸收不同能量的光子大大提升太陽
能電池的光轉換效率如圖 4（a）所示因為量子點的結
構產生額外的分裂能階分裂能階可以讓載子佔據能階
依賴這些的分裂能階產生不同能量的電子電洞對只要量
子點結構之間的距離和大小就可以得到更好的電特性如
圖 4（b）所示為量子井結構的設計此結構與量子點結
構類似該設計是屬於二維的結構也因為量子井產生分
裂能階故可以提高太陽能電池的光轉換效率
推疊式結構量子結構的太陽能電池理論上可以增
進功率轉換效率但是產生電子電洞對之後的截子輸出效
率會因為載子再結合而受到影響如前文所提載子在奈
米晶矽中的遷移是透過穿隧效應來達成因此如何減少
奈米晶矽之間的距離或增加奈米晶矽的密度為重要的課
題因此我們提出在奈米晶矽在退火析出的過程當中施加
電場透過直流 交流的方式來增強介電質材料的成核析
出效果下列將介紹提供電場對結晶上的影響 [15ndash19]
電場對結晶上的影響
從 1927年開始Greig[15] 已經廣泛地開始對玻
璃（Glass）材料的相分離作研究這種相分離（Phase
Separation）機制包含了成核理論（Nucleation Theory）
與亞穩相分解（Spinodal Decomposition）後來的研究 [16ndash19] 並討論外加電場對相分離的影響對了探討奈米晶
矽在氧化矽玻璃中的成核析出特性必須考慮到原來和後
來因相變化造成的介電質係數改變假設有一介電質材
料（ε1）並建立電場 E1於該介電質材料上使得相分離
後的介電質係數變成（ε2）因此一個具有外加固定電場
（E1）的介電質薄膜具有內能 U1後來的內能為 U2如公式
（1） 所示因為外加電場使得相分離後的內能變化為 U
其中D為位移電流（Displacement Current）
Ui ＝ intVEiDidv i ＝ 1 2 （1）
U ＝ U2 －U1＝ intV1+V2 E2D2－E1D1dv （2）
U asymp ndash intintε1 E2dεdv （3）ε2 2
在均勻的外加電場下形成聚集（Cluster）的自由能
改變為ΔG為下列式子
ΔG ＝ ΔG 0＋ΔG E （4）
其中ΔGo為不存在電場時的自由能ΔGE是由於電
場造成時的自由能變化當無外加電場於成核時具有表面
能量和張力能量成分
ΔG 0 ＝ πγ3ΔG V＋4πγ2σ （5）
其中 r是核的大小尺寸ΔGv是每單位體積的張力
能量σ是每單位面積的有效表面自由能量根據（3）式
可得到自由能改變在經過相分離之前和之後為
ΔG E ＝ ndash intVintε1 E2 dεdv ＝ ndash E2（ε2－ε1）πγ3
（6）
ε2 2 2
故（4）式可得到下列式子
ΔG ＝ πγ3［ΔG V－ E2（ε2－ε1）］＋4πγ2σ（7）
2
圖 由左到右為氧化矽氮化矽和碳化矽三種材料的高解析掃描穿透顯微（HRTEM）照片 []
圖 （a）中間能帶太陽能電池（b）量子井太陽能電池 []
Conduction band Conduction band
Valence band Valence bandTo contacts
To contacts
E
E
E
E
EC
EF
EV
Quantumdots
Minindash bandPhoton
Photon
Quantumwells
（a） （b）
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
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低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
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結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
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委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
奈米晶矽在太陽能電池之應用National Nano Device Laboratories
將ΔG對 r做偏微分得到可以產生成核大小最後
臨界成核尺寸大小（critical size） 為以下式子
γc r i t i ca l＝ （8）
｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）2
2σ
ΔG cr i t i ca l＝ （9）
3［｜ΔG V｜＋ E2（ε2－ε1）］22
14πσ3
由（8）和（9）式指出電場強度（E）和介電常數
（ε2ndashε1）在相分離的臨界成核大小與自由能的關係假如
ε2 ＞ε1 時外加電場作用下會 r和ΔG都減少而且成核
或相分離的機會將會因為外加電場而大大提升相反地
ε2 ＜ε1 時會使相分離的程度就會被外加電場所限制住
實驗方法與結果
奈米晶矽的薄膜備製方法可以利用電漿輔助化學
氣相沉積（PDCVD）濺鍍機（Sputter）離子佈植（Ion
Implant）和旋佈式玻璃（SpinndashOnndashGlass）等等hellip主要
是得到一種矽富有（SindashRich）的介電質薄膜該類薄膜一
般就是矽為主的氧化矽（SiOx）氮化矽（SiNy）或是碳化
矽（SiCz）相較於完整的分子鍵結薄膜矽富有介電質薄
膜中的矽和另一種元素（氧氮碳）結構組成經過高溫
退火的反應式如式子（10）本實驗利用電漿輔助化學氣
相沉積方法來備製此矽富有（SindashRich）的介電質薄膜
其中氧化矽（SiOx）和氮化矽（SiNy）的薄膜使用化學前驅
（Precursor）為矽烷（SiH4）分別與一氧化二氮（N2O）和
氨氣（NH3）的化學反應物調整前者與後面兩者之間的
流量比來形成介電質薄膜為了讓矽富有的介電質薄膜形
成奈米晶矽的量子點實驗將利用高溫爐管（Furnace）退
火系統在攝氏 950度至1150度之間的氮氣氛圍下退火數
十分鐘在高溫退火過程中介電質薄膜會形成穩定鍵結
（SiO2Si3N4）使都多餘的矽原子會彼此鍵結產生聚集到
結晶現象因為多餘矽原子含量比適當以至於可以形成奈
米級的矽量子點結構過量的矽含量反而會形成尺寸大於
波耳（Bohr）半徑的奈米晶矽大大降低量子效應
Si （O N C）rarr （ ）Si （O2 N C）＋ （1－ ）Si
（10）
x x
將上述沉積完成的薄膜利用高溫退火製程步驟來實現
奈米晶矽之量子結構行程為了控制奈米晶矽的形成與
排列在高溫爐管中提供外加電場方式根據理論外加電
場將加強奈米晶矽在高溫製程步驟中使奈米矽成核機會
提高外加電場主要將造成Gibbs自由能（Free Energy）
的降低提高高介電質常數（奈米晶矽）在低介電質常數
（SiO2Si3N4）塊材中的反應速度析出大小尺寸為一至
五奈米的矽量子點結構
如 圖 5（a） 所 示 探 討 矽 富 有 的 氧 化 矽 材
料經過不同高溫退火溫度和時間的光激發光譜
（Photoluminescence PL）由實驗結果得到不同的光激
發光譜峰值會隨著不同溫度和時間而改變氧化矽沉積
圖 （a）不同溫度和時間（b）攝氏 0度 0分鐘有無外加電場（c）攝氏 00度 0分鐘有無外加電場的光激發光譜
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
As deposited SixOAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 0 0 minAnneal 00 0 minAnneal 00 0 min
Inte
nsity（
au）
00 00 00 00 00 00 000Wavelength（nm）
Anneal 00 0 minAnneal 00 0 min+kHz VAnneal 00 0 min+kHz V
Inte
nsity（
au）
（a）
（b）
（c）
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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[19] C Russel J NonndashCryst Solid 219 212 1997
後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 3 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
參考文獻
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後的樣品峰值位於短波長是屬於缺陷造成的光譜經過
高溫處理後的光譜會往長波長位移（Shift）而且在時間
為180分鐘時達到更長波長的位置判斷為奈米晶矽顆
粒隨時間改變尺寸大小所造成的原因這種光激發光譜
的紅移現象也被其他團隊所發現 [5ndash8]由圖 5（b）中可以
發現當固定製程溫度在高溫 950度 90分鐘時加上外加
電場可以提高光激發光譜強度由這結果可以證明外加電
場對於奈米晶矽薄膜的光激發光譜特性的確有影響接
下來如圖 5（c）所示提高高溫退火的溫度到 1100度及
增加退火時間至 180分鐘並對不同外加電壓（1和 5伏
特）來探討光激發光譜的影響最後得到外加電場條件都
會加強光激發光譜峰值的光強度
結論與展望
在高溫退火時的外加電場對於奈米晶矽薄膜將會產
生不同光電特性未來將研究奈米晶矽的晶相形狀和奈
米晶矽之間距離如果可以有效控制奈米晶矽的縱向排
列可以應用在太陽能電池元件的電力輸出部分提高第
三代矽太陽能電池的效率
致謝
感謝台大林恭如老師實驗室所提供矽的氧化矽材料
樣品以及國家奈米元件實驗室（NDL）謝嘉民研究員團
隊提供的機台與寶貴經驗
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
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主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
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低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
V 型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討Investigation of PhotondashElectronic Characteristics of V Shape Porous SiliconnndashSi Heterojunction
黃俊達thinspthinsp卓其何國立嘉義大學應用物理系
主題文章 4
關鍵詞 Keywords
V型多孔矽 VndashShape PS 反射率 Reflectivity 電化學陽極化 Electrochemical Anodization 掃描式電子顯微鏡 ScanningndashElectron Microscope
摘要
我們已經以步級漸變電流的電化學陽
極化方法在 n型矽基板上製造出 V型
多孔矽並量測光電流頻譜反射率及
掃描式電子顯微鏡來觀察 V型多孔矽
n ndash S i異質接面的光電特性我們發現
V型多孔矽與使用固定電流電化學陽極
化方法所得到的單層多孔矽比較有較
大的光吸收除此之外在波長 300sim
900 nm範圍內V型多孔矽的反射率低
於1 甚低於矽基板和單層多孔矽
因具有這些優點V型多孔矽可用在薄
層轉移薄膜型太陽電池中當作光吸收主
動層
Abstract
The Vndashshape porous silicon(PS)has been successfully fabricated on
nndashtype silicon(nndashSi)substrate using electrochemical anodization
with stepndashgraded current Spectrum of photocurrent reflectivity
and scanningndashelectron microscope(SEM)has been measured to
investigate the characteristics of Vndash shape PSnndashSi heterojunction
It was found that the Vndashshape PS has a larger optical absorption
than that of singlendashlayer PS which was formed by using constant
current In additionally the Vndash shape PS exhibited a much low
reflectivity lower than 1 between the wavelengths of 300 to
900 nm than those of silicon substrate and singlendash layer PS Thus
the Vndash shape PS can be used in layerndashtransfer thinndashfilm solar cell as
an active layer
0
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
矽製太陽能電池因具有成熟的製程與便宜的價格已
成為目前商業應用的主流然而矽是一種間接能隙材料
光吸收係數低所以必須要有相當的厚度才可以達到高的
轉換效率而在室溫下的光激發光（PL）多孔矽（PS）材
料被發現後 [1]又重新燃起矽製太陽能電池的重要性藉
由調變蝕刻條件如電流密度時間和氫氟酸濃度等可
以控制多孔矽材料的孔隙率（Porosity）和形貌進而改
變它的折射係數而且由於二維量子侷限它的能帶間隙
會被有效的增加 [2]所以近年來多孔矽材料多被應用在
光電元件上如高效率的太陽能電池 [3ndash7]光檢測器 [89]及
電激發光元件 [10ndash12]上目前絕大多數的多孔矽材料應用
在矽製太陽能電池上都是當做抗反射層因它具有相當低
的反射率如以固定電流密度形成的單一或兩層的多孔矽
薄膜 [1314]和以逐漸改變孔隙率的方式堆疊二十層不同
折射係數的多孔矽使用在太陽能電池上當做抗反射層但
二十層的抗反射層在使用上是不切實際的 [15]後來有人
以線性（Linear）漸變蝕刻電流密度的方法來達到漸變折
射係數進一步達到降低反射率的目的 [16]然而這些研究
都是侷限在低的反射率上也就是都把多孔矽當作被動的
抗反射層本研究以步級（Step）漸變蝕刻電流密度來達
到步級漸變折射係數的目的這種步級漸變的方法可以得
到 V型的多孔矽致使大部份的入射光都在此經由多次反
射被吸收而且在波長 300～ 900 nm的範圍內擁有甚
低的反射率（低於 1）這種高吸光及低反射率的特性
使得 V型多孔矽可以應用在薄層轉移（Layer Transfer）
的薄膜型太陽能電池 [2021]上當作主動層增加對太陽光的
吸收而得到較高效率的太陽能電池
實驗方法
本研究採用的是（100）電阻率 3ndash40 Ωndashcm之 n型
矽基板先經標準的 RCA清洗再以熱蒸鍍系統在背面
度上 300 nm的鋁電極作為電化學陽極化時的陽極接觸電
極之後置入鐵氟龍（Teflon）製的蝕刻槽內進行多孔矽
的蝕刻蝕刻溶液為水氫氟酸酒精比例為112
若要形成單層多孔矽則將電流密度固定而蝕刻時間為
15分鐘並以 50 W鹵素燈照射若要形成步級漸變孔隙
率的多孔矽則由大電流密度 40 mAcm2步級漸變經由
302010到 5 mAcm2而每一步級電流的蝕刻時間分
別為1234和 5分鐘亦即蝕刻條件為 40 mAcm2
（1分鐘）rarr 30 mAcm2 （2分鐘）rarr 20 mAcm2 （3分
鐘）rarr 10 mAcm2 （4分鐘）rarr 5 mAcm2 （5分鐘）
時間漸次增加的目的是要形成 ldquoVrdquo字形的多孔矽在矽基
板上面以增加光吸收及降低反射率多孔矽完成後再於正
面蒸鍍鋁電極這樣就完成了我們的元件製造
本研究以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察陽極化後
多孔矽的截斷面（Cross Section）情形以鹵素燈經光譜
分析儀再經斬光器照射到元件上並經鎖相放大器量測此
元件的光頻譜響應及反射率來比較固定電流密度與步級
漸變電流密度得到的結果
結果與討論
圖 1是三種基本結構折射係數的空間分布情形圖 1
（a）在空氣與矽基板間存在相當大的折射係數不連續故
預測光在空氣與矽基板間有很大的反射率若如圖 1（b）
在空氣與矽基板間插入一單層折射係數介於兩者間的多孔
矽就可以將此相當大的折射係數分成兩個不連續的較小
步階預期其折射係數與圖 1（a）比較可以得到在寬廣
波長範圍的反射率降低而圖 1（c）是本研究步級漸變折
射係數的示意圖它是藉由步級漸變的蝕刻電流密度來
達到步級漸變的孔隙率進一步得到步級漸變折射係數
的多孔矽
圖 2是我們多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方
式圖中多孔矽相對於基板是外加 ndash1 V的逆向偏壓而
圖 3（a）是經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndash
Si的光電流頻譜圖圖中可以看到經 5 mAcm2蝕刻的
多孔矽有較大的光電流但隨著蝕刻電流密度的增大
其光電流會降低此外這個頻譜有兩個峰值一個約在
980 nm另一峰值大約在 750 nm980 nm的峰值響應
是來自 n 型矽基板的750 nm的峰值響應是來自多孔矽
本身這個峰值響應的波長和大多數多孔矽有相同的波
0 0
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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213 2002
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and H Saha Sol Energy Mater Sol Cells 77 51
2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
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National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
長 [1718]而且 980 nm比 700 nm有較大的光電流這表
示光吸收大部份發生在矽基板為了和沒有經過蝕刻的
純粹矽基板作一比較n型矽基板的光電流頻譜示於圖
3（b）圖中可以很明顯的看出來750 nm的多孔矽峰值
已經不見這個結果可以說明圖 3（a）的 750 nm峰值確
實來自多孔矽圖 3（b）的矽基板峰值響應在 1020 nm
而圖 3（a）的單層多孔矽frasl nndashSi的矽基板峰值響應則被
藍位移到 980 nm可見圖 3（a）的多孔矽在矽基板上造
成應力以致拓張了矽基板的能帶間隙但比較圖 3（a）
和（b）可以知道多孔矽結構有較大的短波長響應這是
因為量子侷限的結果造成多孔矽有比單晶矽較大的能
帶間隙 [2]除此之外多孔矽結構比單晶矽有較大的光電
流這說明了多孔矽比單晶矽有更大的吸光效果這個現
象似乎提供了多孔矽可以用來當作主動吸收層的選擇而
不是如傳統的只作為被動抗反射層步級漸變電流密度
圖 折射係數的空間分佈（a）不具抗反射層（b）具單層多孔矽與（c）具漸變折射係數多孔矽的抗反射層
圖 多孔矽元件的結構及其量測的偏壓方式
圖 （a） 經不同固定電流密度蝕刻的單層多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖（b） n型矽基板的光電流頻譜圖 （c） V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜圖
nps
nSi折射係數
np
na
n
折射係數
n
na
折射係數
（a）
（b）
（c）
多孔矽
n ndashSi
ndashV
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
單層多孔矽 nndashSi mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 mA cm
0 nm
0 nm
偏壓 = ndash V
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
times0
0times0
0times0
0times0
0times0
0times0
V型多孔矽 nndashSi
偏壓 = ndash V
0 nm
00 00 00 000 00Wavelength（nm）
0times0
0times0
0times0
0times0
nndashSi
偏壓 = ndash V
00 nm
（a）
（b）
（c）
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 4 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
得到的 V型多孔矽 nndashSi的光電流頻譜示於圖 3（c）與
圖 3（a）比較V型多孔矽的峰值響應被進一步的藍位
移到 710 nm且矽基板的峰值響應與 710 nm比較已經
變得非常小這表示光在步級漸變折射係數的 V型多孔
矽中經過相當多次的再反射而大部份的光被這步級漸變
折射係數的 V型多孔矽吸收了所以到達矽基板的光就相
當小但此 ldquoVrdquo型結構的多孔矽與固定電流蝕刻的單一
層多孔矽（圖 3（a））比較它的光電流比較小這說明了
經過多次不同電流密度蝕刻的多孔矽有較多的懸浮鍵缺
陷這些懸浮鍵缺陷在矽基板經過電流蝕刻後就會存在
多孔矽中這些懸浮鍵缺陷會捕捉光激發的載子造成光
電流下降 [19]
圖 4是我們的 V型多孔矽 nndashSi截面圖的 SEM圖
中可以很明顯的看出我們蝕刻出來的多孔矽呈現 ldquoVrdquo字
型這個 ldquoVrdquo字型可以讓光在多孔矽裡造成多次反射以
致大部份的光可以在這裡被吸收而到達基板的光很少這
個結果再次說明了 V型多孔矽成為主動吸光層的可能以
此 ldquoVrdquo字型多孔矽有比單層多孔矽更高的光吸收所以這
個 ldquoVrdquo字型多孔矽可以用在薄層轉移的薄膜太陽電池中
當作主動吸光層只要加上適當的披覆層（Passivation
Layer）以填補多孔矽的懸浮鍵缺陷就可以得到相當高的
光電流
圖 5（a）是 nndashSi在 300～ 900 nm範圍的反射率
圖中可以看到它有相當高的反射率於 300～ 900 nm波
長範圍內其反射率均高於 35表示大部份波長的光都
被反射無法進入矽基板這也就是為何圖 3（b）的矽基
板與圖 3（a）（單一層多孔矽）和圖 3（c）（V型多孔矽）
比較有較低光電流的原因圖 5（b）是 V型多孔矽與單層
多孔矽的反射率V型多孔矽有最低的反射率在 300～
900 nm波長範圍內其反射率均低於 1 而單層多孔矽
的反射率低於 nndashSi基板但高於 V型多孔矽所以在圖 3
（c）的光電流響應頻譜中大部份的光在 ldquoVrdquo字型的多孔
矽中已被多次反射而吸收
結論
我們以步級漸變電流密度的方法在矽基板上形成
ldquoVrdquo字型的多孔矽並證實此種多孔矽可將大部份的入射
光經由多次反射而被多孔矽所吸收而進到矽基板的光很
少而且它在 300～ 900 nm的波長範圍有比單層多孔矽
更低的反射率其反射率可低於 1 所以這種 ldquoVrdquo字型
的多孔矽可以用來當做主動的吸光層使用在薄層轉移薄
膜型太陽電池中可有效的增加光吸收
圖 V型多孔矽 nndashSi截面 SEM的圖
圖 （a） nndashSi在 00～ 00 nm範圍的反射率（b） V型多孔矽與單層多孔矽的的反射率
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
00
0
0
0
0
0
nndashSi
（a）
00 00 00 00 00 00 00Wavelength（nm）
0
單層多孔矽 nndashSiV型多孔矽 nndashSi
（b）
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
參考文獻
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2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
Vthinsp型多孔矽nndash型矽基板異質接面的光電特性探討National Nano Device Laboratories
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and H Saha Sol Energy Mater Sol Cells 77 51
2003
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組Development of a Large Area Organic Hybrid Solar Cell Module on Flexible Substrate
關鍵詞 Keywords
thinsp有機太陽能電池 Organic Solar Cellthinsp旋轉塗佈 Spin Coatingthinsp可撓基板 Flexible Substrate
主題文章 5
摘要
本研究利用大面積旋轉塗佈技術開發
目前重點放在可撓式基板製作有機混
成太陽能電池模組使其具備有高效
能長壽命低成本及大面積製造的
能力並製作面積 100 cm2以上之可撓
式電池模組及測試每個新模組開發工
作包括有以下三個項目（1）有機混成太
陽能電池模組製程技術之最佳化整合研
發（2）I T O電極鋁電極與有機混成
材料之間的歐姆接觸問題研究及解決
（3）有機混成太陽能電池模組電路之最
佳化設計及電性測試最後將以本研
究開發完成之相關重要製程技術作為未
來實際導入工業量產之重要依據
Abstract
The largendasharea flexible solar cells studied throughout this paper
by using a large area spin coating technique The major work
is to develop a high efficient long life time low cost large
area nanoparticles hybrid polymer solar cell module The solar
cell module with an active area of 100 cm2 will be developed
fabricated and tested The work tasks of a new developed solar
cell module include three items (1) Integration of fabrication
process of a nanoparticles hybrid polymer solar cell module
(2) Study of ohm contact issue between the electrodes and
polymer layers of solar cell module and (3) Optimal design of
circuit of solar cell module and its characteristic measurement
Finally we will be developed and fabricated successfully for a
commercial mass production application
蕭育仁thinspthinsp蔡來福thinspthinsp劉建惟thinspthinsp周勝鴻thinspthinsp謝嘉民thinsp戴寶通thinsp
國家奈米元件實驗室
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
前言
從實務及商業化的角度發展高分子太陽能電池為
達到高效能長壽命低成本及大面積塑膠電能的最
終目標大基板面積的太陽能電池製造技術的發展是有
其必要性用來製作大面積高分子太陽能電池的技術中
旋轉塗佈（Spin Coating）是一種生產均勻薄膜不錯的選
擇旋轉塗佈技術因為可進行大面積塗佈及擁有良好的
薄膜均勻度（plusmn1）等特性而常被使用於微電子製造工
業旋轉塗佈製程技術應用甚廣包括應用在積體電路
光碟PLED液晶顯示器等製程中薄膜的形成程序目
前旋轉塗佈技術也被大量應用於半導體製程中具有高度
半導體製程相容性以此技術製造高分子太陽能電池將
可使其大量且快速的導入量產加速朝向商業化腳步發
展前進2001 年奧地利 Prof Sariciftci利用旋轉塗佈
方式將 P3HTPCBMC60 主動層（Active Layer）塗佈於
ITOPET 軟性基板表面製作面積為16cm2 之可撓式塑
膠太陽能電池 [1]同時Prof Sariciftci也將主動層改為
MDMOndashPPVPCBM製作面積 10cmtimes15cm 大小的可撓
式塑膠太陽能電池來驅動馬達 [2]當時雖然效率不高但
卻傳達了塑膠電能發展具有無限潛力的訊息綜觀高分子
太陽能電池技術發展大尺寸面積的製造技術發展方向
將是未來不變的主流
高分子太陽能電池原理
當太陽光照射到有機太陽能電池入射光子的能量
等於或大於有機材料的能隙時將會把電子施體材料中
πndashHOMO的電子激發至πndashLUMO產生電子 ndash電洞對
也就是激子（Exciton）激子會以擴散的方式來向四面移
動（擴散距離約為10 nm）為了讓激子在電子施體與受
體界面進行分離並防止再結合發生製作有機太陽能
電池通常必須搭配撱種分別對電洞及電子有高載子移動
率的材料一種材料為電子施體及另一種材料為電子受
體要達到良好之電荷傳遞以及電荷載子有效的分噾作
為電子施體材料必須有較低之游噾能（HOMO）和作為電
子受體材料必須有較高電子親和力（LUMO）使得在電
子施體材料內生成之激發態分子的能量大於電子在電
子受體材料內以及電洞在電子施體材料內之能量當激子
擴散至電荷載子分噾點也就是電子施體及受體材料的
界面時才能夠有效克服電子電洞間之束縛能（Binding
Energy）分離成電子與電洞 [3]如圖 1所示當電子及
電洞被分噾後電子與電洞受到由陽極和陰極功函稕
（Work Function）差所造成之內建電場而分別經由電子施
體及電子受體材料分別沿著界面處跳躍行進並由相對的
電極吸收電子蕓往鋁金屬陰極電洞蕓往 ITO陽極進
而產生光電蕓黖論上來嵾接面面積越大則可造成激子
分噾的地方越多傳輸至電極的載子稕量也會增多光電
流可因此增大
定義 ITO玻璃圖案
將 ITO玻璃塗上正型光阻（AZndash5214）以第一段轉
速 500rpm旋轉 10秒讓光光阻（Photo Resist）能均
勻塗在 ITO玻璃上再以第二段轉速 3000rpm旋轉 30
秒將塗好之 ITO玻璃以 120軟烤 90秒以去除光阻
內大部份溶劑在將影像光罩（Shadow Mask）放置在烤
好的光阻上再以UV燈曝光 90秒光阻顯影是利用一
種液態化學顯影液將在光罩曝光期間始成為可溶性的
光阻區域溶去待所需的圖形顯影出現再將基板以清水
沖洗以去除顯影液顯影完之後將已經定義好的圖形以
120硬烤大約 5分鐘即可之後再以鹽酸（HCl濃度
約～ 36）加熱至 70把已定義好的 ITO玻璃圖案放
入蝕刻將未被光阻覆蓋之 ITO薄膜蝕刻殆盡再將試片
以去離子水（DI Water）沖洗再泡入丙酮中去除光阻
其示意圖 2所示
圖 電子電洞有效分離
Donor Acceptor
LUMOLUMO
HOMOHOMO
AlITO
endash
endash
h+
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
大面積軟性有機太陽能電池電路設計
本 實 驗 所 選 用 的 軟 性 基 板 為 Polyethylene
Naphthalate（PEN）材質廠商所提供的片電阻規格
為～ 15Ω 單電池 ITO總電阻高於鋁電極總電阻約
100倍本版電池模組設計以凉低單電池 ITO電極之總電
阻值做為改善期望獲取較高的電池模組光電效率如圖
3所示原設計之電池模組結構直接是以 ITO電極作為電
洞吸收與傳導層然而新設計則採以 ITO電極上方架鋁
電極的方式此設計主要目的希望電池模組受光產生之
電洞由 ITO電極吸引後不需要再由 ITO電極作傳導而
改由具有低電阻的鋁電極作傳導以減低電洞於傳導時的
損耗希望能達成以 ITO電極作吸收以鋁電極作傳導的
目標而提升整體電池模組的 Isc有機薄膜太陽能模組
設計 10times10 cm大小整個電池模組設計有 9組並聯電
路每組並聯電路具有 14個單電池每個單電池面積為
4mmtimes4mm此外為了檢測製程的穩定性及不良率本
設計亦可進行 14個單電池與 9組並聯電路的單獨量測
製作完成之電池模組如圖 4所示並使用厚度 1mm的
金屬Hard Mask作為金屬蒸鍍之遮罩可將金屬蒸鍍之
遮罩緊密與基板貼合
結果與討論
大面積製程流程如圖 5（andashd）所示因大面積軟板
不適用於目前旋轉塗佈系統因此需將軟板以耐熱膠帶
固定於 6吋玻璃基板方便後續的所有製程電路設計需
先對下電極透明電極作線路先在軟性基板上塗佈 2microm
光阻以本實驗室現有之標準製程做出透明電極之電路
在以光阻為阻擋層放入溫度 70度之鹽酸蝕刻透明電
極之後再去光阻然後再以氧電漿做表面處理使其親水
化之後再依序塗佈電洞傳導層 PEDOTPSS待烘乾
後再塗佈反應層 P3HTPCBM最後再以熱蒸鍍上鋁電
極製作過程需考慮光阻液厚度所能承受蝕刻的時間在
小面積製作中使用鹽酸（HCl濃度約～ 36）加熱至 70
以定義好的 ITO軟板圖案放入蝕刻約 10秒鐘但此
蝕刻速度對大面積製程而言太快透明電極表面有些粗
圖 黃光微影示意圖
圖 有機薄膜太陽能電池截面示意圖
圖 大面積有機薄膜太陽能模組設計結構（0 times 0 cm）
圖 軟性基板製作流程（a）蝕刻 ITO圖案（b）旋塗電洞傳導層（c）旋塗光反應層（d） 0times0 cm大面積模組
蝕刻 顯影
光阻塗佈ITO PEN 軟板 UV 燈
光阻
光罩曝光
Al
ITO Light
Al electroode
PHT PCBM
PEndashDot PSS
ITO electroode
Plastic substrate
Al
PEndashDot PSS
Coating PHT PCBM 0times0 cm large area module
Etch ITO pattern Coating PEDOT PSS
（a） （b）
（c） （d）
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
Materials amp Solar Cells 93 pp884一 887 2009
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Thermal Processrdquo Wiley 1986工研院 IEKndashITIS計
畫 2004
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6477 2003
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Ferguson A Doolittle and S Kurtz ldquoIEEE
Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
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低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
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ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
發展軟式大面積有機混成太陽能電池模組National Nano Device Laboratories
糙化的現象這樣的缺陷也使得電洞收集造成損耗這部
份問題可經由厚膜阻劑來解決以保持透明導電膜最佳品
質在元件完成最後一步需要做熱退火製作過程需特別
注意因為軟性基板在經過熱處理後可能會有翹曲使得
軟性基板上部分元件受熱不均勻其溫度差約在 20
可能造成部分元件熱退火條件不同而元件失效
目前採用的軟板其材質為 PEN效果相對較好其成
本也比較高其穿透率大約 80左右一般而言塑性基
板 PEN相較 PET有些優點包括耐熱性好較不透氣
與不透水紫外線吸收力高和抗化學性等 [4]研究中使用
光罩進行黃光標準製程接續完成大面積元件結構主要
的條件變化在於鍍完鋁後的退火溫度與旋塗的 PEDOT
PSS的厚度利用前面的研究取其較佳製程條件主要
進行退火條件研究在 120下退火時間 2030和 40分
鐘可發現 40分鐘的試片幾乎量不到特性其上下電極
阻值接近導通推測可能退火時間過長有機高分子層遭
破壞上電極的鋁擴散到下電極所致另～ 20和 30分
鐘效果機乎接近可以看出退火 20分鐘其中一列共 14
個單電池的阻值短路電流開路電壓與轉換效率上下
電極阻值大在 1300～ 1800歐姆之間開路電壓表現相
對穩定平均
圖 6（a）所示為大面積 PEN基板的單顆有機電池
IndashV特性曲線圖呈現二極體特性半導體高分子具有效
應其光電轉換效能約為 125 Voc 為 055 VIsc為
08mAFF為 453相較於玻璃基板其透光度與導電率
都較差加上製程上的熱收縮影響使的轉換效率會比較
低圖 6（b）所示為整片大面積串聯的 IndashV特性曲線圖
每串有十四顆單電池當串聯線路由一串增至九串時共
結合 126顆小的單電池其性質如下 Voc～ 435 VIsc～
055 mAFF～ 275η～ 0032就整體而言單
串的電壓每串約 05V串聯九串後已接近理想值但電流
方面仍未達到累加效果一方面除了n保持串聯不能有單
電池短路外還需放大單電池的面積以達到提升電流值
的目的
為了要延長使用週期需使用封裝技術來隔絕水氣
和氧氣值我們採用UV膠四周塗佈然後用紫外光曝照約
十秒我們重複測試驗證結果發現封裝前後的性質大致
不變為了測試研製的太陽能電池模組性能實際以研製
的太陽能電池模組照光後來提供包括有LED燈源所需
的電能本計畫自鴴設計一組簡易型太陽能電池展示機
如圖 7所示本展示機包括有（1） LEDs之 PCB（2）
電池模組點燈照光燈箱以此電池模組足以同時點啟兩
顆 LED
圖 有機太陽能電池在軟性基板上之光電轉換特性（a）單電池（ times mm）（b）串聯 顆單電池
圖 有機薄膜太陽能電池在軟性基板上驗證可點亮兩顆LED燈
ndash0 ndash0 0 0 0
0
ndash
ndash
Voltage
mΑ
Voc = 0 VIsc = 0 mAFF = η =
ndash 0
0
0
ndash0
ndash0
ndash0
ndash0
Voltage
mΑ
Voc = VIsc = 0 mAFF = η = 00
（a）
（b）
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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with FullerenesrdquoSynthetic Metals 118 pp1一 9 2001
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Solar CellsrdquoAdv Funct Mater 11 P15一 26
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TerrazzonindashDaudrix X Niquille C Ballif ldquoDevelopment of Micromorph Tandem Solar Cells on
Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
Materials amp Solar Cells 93 pp884一 887 2009
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 5 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
A已完成單電池 4mmtimes4mm製程測試在可撓式塑膠軟
板上於 AM15光源100mW cm2照射條件下單電池可
獲得 Voc～ 055 VIsc～ 08 mAη～125
B在可撓式 PEN基板上已完成 126顆單電池 4mmtimes
4mm串連製程測試於 AM15光源100mWcm2照射
條件下大面積電池可獲得 Voc ～ 435VIsc ～ 055mA
η～ 0032此結果已可啟動兩顆 LED燈
誌謝
此研究感謝 NDL與台大學研合作計畫（計畫編號
05097C2005）之經費補助感謝台灣大學林唯芳教授
陳學禮教授以及工研院張學明博士等在實驗上的幫忙
與研究進度討論
參考文獻
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Flexible LowndashCost Plastic Substratesrdquo Solar Energy
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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[10] AKGeimSVDubonosNatMater20032461
[11] WangCFSuYCKuoSWHuangCFSheen
YCChangFCAngewChemIntEd452248 2006
[12] MohammadiRWassinkJAmirfazliALangmuir
2096572004
[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
關鍵詞 Keywords
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況Development of High Efficiency IIIndashV Compound Semiconductors Solar Cell
薛丁仁thinsp國家奈米元件實驗室
主題文章 6
太陽能電池 Solar Cell III-V族化合物 III-V Compound III-V族氮化物半導體太陽電池 III-V Nitrides Semiconductors Solar Cell Semiconductors Solar CellAnodization 高效率太陽能電池 High Efficiency Solar Cell
摘要
太陽能電池之種類依其使用材料的不同大致上
可分為矽無機化合物有機材料等三大類光
電轉換效率也因為材料的不同而有所差異有
機材料太陽能電池雖然可利用較便宜的成本與
簡易的製程設備研製但是在轉換效率上相對
於矽基型太陽能電池仍有一段距離矽基型太
陽能電池雖然在製作過程相較於化合物半導體
型太陽能電池較為成熟但由於本身材料特性
為非直接能隙半導體導致在光轉換效率上會
有所限制因此使用直接能隙的化合物半導
體發展高效率太陽能電池將有其可行性其中
又以 I I I ndashV族化合物半導體最有發展潛力其
能隙範圍將包含整個可見光波段
Abstract
Solar cells are classified into silicon inorganic organic
solar cells according to materials and the conversion
efficiency is also different Although the organic solar
cells could be fabricated by simple equipments and with
low cost the conversion efficiency is not comparable
with silicon based and compound solar cells Moreover
although the fabrication of silicon based solar cells
is mature than compound solar cells the conversion
efficiency is limited due to the material characteristics
(indirect bandgap) Therefore it is most practical
to develop high efficiency solar cells by compound
semiconductors
0
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
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National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
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4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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前言
因溫室氣體的排放導致地球暖化日益嚴重再者
近幾年油價高漲（最高曾經到達每桶 147美金）使得替
代性能源發展變成二十一世紀最重要的課題之一因此
包括太陽能風力地熱水力生質潮汐等所產生的
天然能源日漸受到重視其中又以太陽能的利用與研究
最被重視因為太陽能具有無污染無公害之特性且又
取之不盡用之不竭一般估計太陽每年照射到地球的
能量約為目前人類所需電力的五十萬倍因此若能充分
利用太陽能相信日後的能源問題皆可解決故開發太陽
能一直是世界各先進國家矚目的焦點台灣位居亞熱帶
地區並且接近於赤道太陽的日照量非常的充裕因此發
展太陽能相當具有潛力且就以太陽日照量而言遠比日
本與美國大部份地區為佳如表 1為世界各地太陽能平均
年日照量 [1]
目前市面上商品化的太陽能電池大多以矽基型半導
體太陽能電池為主而且矽基型太陽能電池的產品佔鳿
全世界整個太陽能電池產量中的 80其中單晶矽為
40多晶矽為 60而有機半導體及染料敏化太陽能
電池因其光電轉換效率相對於矽基型與化合物半導體
型太陽能電池仍有一段距離使得目前尚未能大量商品
化但因可應用於軟性基板上其前景極為看好化合物
半導體型太陽能電池近十幾年來也被世界各先進研究單
位所研製其轉換效率高於矽基型太陽能電池這是由於
化合物半導體大多皆為直接能隙故比矽系列材料有較
好的光穩定度及光轉換效率表 2為太陽電池之分類與
光轉換效率比較 [2]化合物半導體太陽電池目前又以 IIIndash
V化合物半導體最被為重視其轉換效率的理論值高達
40以上因此發展高效率太陽能電池最具有潛力
IIIndashV化合物半導體太陽電池發展近況
近十幾年來IIIndashV 族化合物半導體已被廣泛的研
究由於具備卓越的電光及直接能隙特性不僅可被研
製於高速元件發光二極体（LED）或太陽能電池（Solar
Cell）元件中都扮演著重要角色受重視的程度與日
俱增IIIndashV 族化合物半導體太陽電池材料中目前以
GaAsGaInP2 及 AlGaAs結合 Ge or Si基板形成多接
面式（MultindashJunction MJ）太陽能電池最被為重視這
是由於 GaAs GaInP AlGaAsGe的能隙分別為19 eV
表 世界各地太陽能平均日照量 [ref]
國家 地區 平均年日照KWhm2
臺北 4625
台灣 台南 15834
恆春 6554
西雅圖 4285
美國
波士頓 4501
邁阿密 6014
加州 6554
澳州 坎培拉 6337
日本 東京 3925
瑞典 斯德哥爾摩 3637
表 太陽電池的分類與特性（資料來源00工研院 IEKndashITIS計畫）
太陽電池種類 半導體材料 模組轉換效率
結晶矽
單晶矽 13～20
矽 多晶矽 10～15
非晶矽 andashSi 5～10
無機化合物
2元素 GaAs 18～30
3元素 CuInSe2 8～10
有機材料 有機接面 PTCDA或PTCBI 2～3
染料敏化 奈米顆粒TiO2 10
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高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
[1] W Beckman JA DuffieldquoSolar Energy Engineering
Thermal Processrdquo Wiley 1986工研院 IEKndashITIS計
畫 2004
[2] MD Yang Y K Liu J L Shen and ChihndashHung
Wu ldquoJapanese Journal of Applied Physicsrdquo vol 47
4499 2008
[3] JWu W Walukiewicz K M Yu W Shan and J W
Ager III E E Haller Hai Lu and William J Schaff
W K Metzger and Sarah Kurtz J Appl Phys 94
6477 2003
[4] O Jani C Honsberg A Asgar D Nicol I
Ferguson A Doolittle and S Kurtz ldquoIEEE
Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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2000
[5] T P Russel Science 297 964 2002
[6] T Sun G Wang L Feng B Liu Y Ma L Jiang D
ZhuAngewChemIntEd433572004
[7] Robert Langer Science 299 371 2003
[8] Feng X Feng L Wang S Sun T Song W Jiang
W JiangLAdvMater184322006
[9] R P Garrod L G Harris W C E Schofield
J McGettrickLJWardDOHTeareandJPS
BadyalLangmuir236892007
[10] AKGeimSVDubonosNatMater20032461
[11] WangCFSuYCKuoSWHuangCFSheen
YCChangFCAngewChemIntEd452248 2006
[12] MohammadiRWassinkJAmirfazliALangmuir
2096572004
[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
0 0
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
142 eV07 eV如圖 1所示 [3]因此其涵蓋可見光及紅
外光等不同能量的區域正好符合太陽光譜全吸收能量
範圍其轉換效率理論值高達 40以上未珥可應用於
外太空及蹅地上然而在這方面的研究尤以美日兩國
最為突出目前以美國波音 ndash光譜實驗室（Spectrolab）
製造的 GaInPGaInAsGe三層結構太陽能電池為全球
最高紀錄其效率高達 407其他例如美國的再生
能源實驗室（National Renewable Energy Lab NREL）
使 用 GaInP2 與 GaAs 製作多接面（Tandem）太陽電
池Emcore Photovoltaics使用有機金屬氣相磊晶系
統（Organometallic Vapor Phase Epitaxy OMVPE） 將
InGaP和 InGaAs成長於 Ge基板形成三接面電池結構
其轉換效率（Conversion Efficiency）為 275日本的
東京技術學會（Toyota Technological Istitute）SHARP
公司及奈良先端科學技術學院也分別使用有機金屬化學
汽相沉積法（MOCVD）開發 InGaPGaAsGe三接面式太
陽電池其轉換效率都分別高達 30以上因此可見開
發 IIIndashV 族化合物半導體太陽能電池產製技術之必要性
台灣目前在 IIIndashV族化合物的磊晶成長技術是相當成熟
MOCVD 機台密度匊是全世界之最因此在 IIIndashV族化合
物半導體之研究發展也有一定之水準但絕大部份的研製
朝向於發光二極體與高速元件太陽電池之發展較為缺
乏尤其在 InGaPGaAsGe這系列結構的研究更只有少
數研究單位研製（交通大學中原大學）其中大多為研製
GaAs材料如交通大學成功大學中興大學國防大學
圖 為 InGaAsGaAsGe三電池結構示意圖 []
表 國內外 IIIndashV族化合物太陽能電池技術分析表
No 國內或國外 結構 機構名稱 年份 單接面（SJor多接面（MJ） 效率（η ）
1 國外 GaInP2GaAsGe USAndashNREL 2002 MJ NA
2 國外 nGaPInGaAsGe USAndash EMCORE Photovoltaic 2002 MJ 275
3 國外 InGaPInGaAsGe 日本奈良先端科學技術學院 2006 MJ 395
4 國外 InGaPInGaAsGe 日本東京技術學會 2003 MJ 317
5 國外 InGaPInGaAsGe SHARP ndash2006 MJ 295
6 國內 nGaPInGaAsGe 中原大學 2008 MJ 155
7 國內 GaAs 中原大學 2001 SJ 517
8 國內 GaAs 中興大學 2007 SJ 955
9 國內 GaAs and InGaP 交通大學 2007 MJ 281
10 國內 GaAs 國防大學中正理工學院 2006 MJ 87
11 國內 GaAs and InGaAs 成功大學 2008 MJ 9
12 國內 GaAs 華旭環能 2008 HCPV 20
13 國內 GaAs 瀚昱能源科技 2009 MJ 39
14 國內 IIIndashV 億芳能源 2009 HCPV 35
n Al0In0P 00micromn In0Ga0P 00microm
p In0Ga0P 0microm
p Al0In0P 00microm
p+ Al0Ga0As 00micromn+ In0Ga0P 00micromn AlGaInP 000microm
n In00Ga0As 0microm
p In00Ga0As microm
p In0Ga0P 0microm
p+ GaAs 00micromn+ GaAs 00micromn In0Ga0P 00micromn GaAs microm
p Ge 0microm
Window Layer
Top Cell
Tunnel Junc
Window Layer
Middle Cell
Bottom Cell
Tunnel Junc
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 6 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
中正理工學院中原大學 等等其轉換效率多為 30
以下（表 3為國內外發展太陽電池之整理）
IIIndashV族氮化物半導體太陽電池
IIIndashV族氮化物系列製作太陽電池最近幾年也逐漸展
露其中以 AlNGaN和 InN等三種材料最被廣泛研究
其能隙分別為 61eV34eV及 07eV因此將此三種材
料合成成三元或四元氮合物材料將可調變成非常廣之能
隙範圍例如 InN和 GaN的合金可將能隙從 34eV的近
紫外光範圍調至 07eV的近紅外光範圍皆能用單一個三
元 InxGa1ndashxN的材料所製作因此不僅能製作出光纖通
訊應用上的波段在太陽能電池的應用上更可幾乎涵蓋
整個太陽發光頻譜圖 2顯示太陽能光譜與 InGaN與合
金材料能隙變化由此可知 InGaN為一絕佳材料適合應
用於高效率多層結構太陽能電池（HighndashEfficiency Multindash
Junction （Tandem） Solar Cell）如此結構所產生太陽
能電池轉換效率理論值高達 50以上比起西元 2003
美國加州勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley
National Laboratory LBNL）達到 25的轉換效率理論
值大一倍以上 [4]次年 O Jani et al[5] 於 2005年發表了
以 pndashindashn結構方式製作 In007Ga093N之太陽能電池其內
部量子效率效率達 19再次證實 InGaN製作太陽能電
池之應用價值且他們相信將銦含量增加至 30以上
InGaN材料系列將是潛力雄厚且值得開發之新穎太陽能
材料正可與目前熱門材料 GaInPGaAs及 Ge相比
而且是只要藉著調整 InGaN之 In與 Ga之組成含量即
可再者擁有很多優於其他半導體性質特性例如較寬
直接能隙較強的化學鍵結較高的熱傳導性等相較
於 Si和傳統的 IIIndashV族 GaAs半導體更適合做為光電
元件及高溫高功率電晶體相關元件如下表 4所示氮化
鎵（GaN）系列的材料所製造而成的電子元件比傳統的
GaAs系列的材料多了三個優點第一崩潰電場比較高
第二熱傳導性比較高第三在高電場下具有高漂移速
率因為高漂移速率代表元件可以操作在更高速的區域具
有最大值GaN是屬於直接能隙材料比起 Si元件會有
較高的量子效率有鑑於國內目前 GaN系列材料在光電
方面的元件已逐漸成熟開發所以就長遠來看對於 GaN
材料在光檢測器的應用上絕對有其發展性與實用性加
上 InGaN的熱傳導性佳抗輻射線能力好其在宇宙飛
行或衛星等工具上能源應用更為理想
總結
全球暖化效應及能源的問題是當今迫切需要解決的
議題因此高效率太陽能電池的研發迫在眉梢節能
減碳的浪潮已經大大改變人們的生活方式目前國內已
紛紛投入有機金屬氣相層積（MOCVD）太陽能電池元件
製程同樣的MOCVD成長氮化銦鎵（InGaN）太陽能
圖 太陽能光譜與 InGaN合金材料能隙關係 []
表 為 SiGaN 和 GaAs材料特性比較
parameter Si InxGa1ndashxN GaAs
Bandgap （eV） 112 07～34 146
Saturation velocity （x107 cms）
10 27 21
Twondashdimensional electron gasSheet density （1012 cmndash2）
NA 20 4
Breakdown field （106Vcm） 03 33 04
Thermal conductivity （WcmK）
13 20 06
Relative dielectric constant 118 9 128
Electron mobility （cm2Vs）
1350 2000 8500
0 0 0 0 0 0 0
solar radiation（W m2nm）
Ga fractionin in1ndashx GaxN
0
0
Ener
gy（
eV）
GaInP
GaAs
Ge
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Thermal Processrdquo Wiley 1986工研院 IEKndashITIS計
畫 2004
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Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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t Pow
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
高效率IIIndashV族化合物太陽能電池之發展近況National Nano Device Laboratories
電池（Solar cell）的成功促成高效率 Solar cell發電
的發展預計在 2015年一場取代傳統電力的發電革命
即將展開總此台灣已成為全世界金屬有機氣相層積
（MOCVD）系統密度最高的國家預估十年內太陽能電池
產業每年可創造數百億美元的商機如能隨時掌握此類尖
端光電科技加強人才培育配合適當的示範推廣活動
並教育消費者節能與環保觀念以及促進政府和民間對
能源政策的整體規劃與推動以建立良好的產業環境使
台灣經濟的永續經營必將有利我國之國際競爭力若能
全力投入 IIIndashV族氮化物太陽能電池的研製相信不久的
將來必能開發出較高效率的太陽能電池並在全球太陽能
產業界發光發熱
參考文獻
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Thermal Processrdquo Wiley 1986工研院 IEKndashITIS計
畫 2004
[2] MD Yang Y K Liu J L Shen and ChihndashHung
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4499 2008
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Ferguson A Doolittle and S Kurtz ldquoIEEE
Photovoltaic Specialista Conferencerdquo Jan 3ndash7 2005
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
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ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
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4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器1times3 Silicon Oxynitride Tunable Waveguide Attenuators Based on the Multimode Interference Effect
關鍵詞 Keywords
thinsp多模干涉效應 Multimode Interference Effectthinsp熱光效應 Thermooptic Effectthinsp氮氧化矽 SIONthinsp可調式光波導衰減器 Tunable Waveguide Attenuators
主題文章 7
摘要
我們利用了多模干涉效應為原理並藉由
熱光效應（Thermoopt ic Ef fec t）去
改變加熱區的自我成像之相位差的方式
設計出1times3可調式光波導衰減器在施
加 22 W的加熱功率下此衰減器可達
到 22ndash d B的衰減輸出此外本元件之
操作響應時間可達到sim 04 ms
Abstract
We report the design and fabrication of SiO2SiONSiO2 1 times 3
tunable waveguide attenuators based on the multimode interference
(MMI) effect Our study will show that the tunable waveguide
devices thus fabricated yield the extinction ratio of 22 dB with the
heating power of 22 W applied Furthermore the response time of
these attenuators could reach down to ~ 04 ms
莊文魁thinspthinsp廖振良thinsp國立成功大學電機系
微電子工程研究所
尖端光電科技研究中心
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
00 0 0 0
ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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au）
Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
前言
近年來在光通訊訊號感測與建構光子積體電路的
應用上氮氧化矽（SiON）已被視為普遍運用的材料之一[1ndash4]以現今快速成長的光通訊市場來說具備多功能穩
定可靠與低成本的光子積體電路元件已成為趨勢而在材
料的選擇上氮氧化矽便是極佳的選擇吾人利用電漿輔
助式化學氣相沈積（PECVD）藉由控制氧 氮（ON）之
間的比例可使氮氧化矽的折射率從 146改變至 20此
一彈性且大範圍的可調式折射率改變特性可廣泛應用於
光纖耦合及半導體的光學元件整合上達到折射率匹配的
目的實現以氮氧化矽波導管作為連接光電元件的通訊
橋樑進而達成光電積體電路整合的理想
目前在光通訊系統中可調式光衰減器（VOA）主要
是用來減低或控制光訊號此外也可用於光放大器的系統
中以平衡各種不同工作波長的增益常見的可調式光衰
減器具有光纖式與積體化波導元件式等幾種然考量到
成本量產及與光積體電路整合等議題積體化波導式可
調變光衰減器無疑地是最佳的選擇至目前為止已有
許多波導式光衰減器元件被發表這些結構包含有傳統的
MachndashZehnder干涉型 [5]折射式漏光波導型 [6]放射波
導彎曲型 [7]以及多模干涉波導型（MMI）[8]等其中利
用自我成像原理（SelfndashImaging Principle）[9ndash10]的多模干
涉波導效應所製成的元件具有結構緊湊低損耗對極化
不敏感製作容易與頻寬大等優點因此多模干涉效應
便被廣泛地研究以及應用在建構光開關 [11]分波器 [12]與
光分波多工器 [13]上
有鑑於此吾人之研究乃以多模干涉效應為原理
藉由熱光效應（Thermooptic Effect）改變加熱區的自成
像之相位差設計出 1times3可調式光波導衰減器此衰減
器為對稱式 SiO2SiONSiO2之薄膜沈積結構具有低成
本高可靠度與製作容易等優點且可應用於積體光學網
路之連接器設備與感測器系統中本元件乃依據波束傳
播法（Beam Propagation Method BPM）之模擬結果設
計其相關製程步驟SiON薄膜分析與光學量測結果將
於文章中分段詳細敘述
原理與實驗流程
如前所述1times3可調式光波導衰減器的初始設計結
構乃依據對稱式 1timesN限制性多模干涉原理 [9ndash10]應用於在
一個 2維的折射率階梯變化（StepndashIndex）的多模波導
中βzν 表示為 z軸傳播方向的ν階水平模態傳播常數
βzv asymp k0neff － （1）4neffWe
（v ＋1）2πλ0
2
We asymp W＋（ ）（ ）2σ
（n2
eff －n
2
c ）ndash（frac12 ） （2）πλ
neff
nc
其中λ0 為真空中的波長k0 = 2πλ0neff為波導層
的有效折射率nc是水平包覆層的有效折射率W是多
模干涉波導的實際寬度而多模波導有效寬度We 則依據
GoosndashHaumlhnchen shift 考慮了各模態在邊界水平方向的穿
透深度其中σ = 0對應 TE模態而σ = 1對應 TM模
態當一光場以對稱式電場型式在平面多模波導的中心方
向導入時則只有對稱式的偶數階模態會被激發形成多模
干涉且多模波導中的電場 E（yz）可以表示為所有對稱
式模態的總和
E（y z ）＝Σ Ev exp（βzvz）cos y（3）v=024
M ˜We
（v ＋1）π
式中M代表多模波導中的所有模態數藉由定義 Lπ
為兩個最低階模態的耦合長度則此
Lπequiv asymp （4）β0－β1
π
3λ0
4neffWe2
多模干涉波導的總長可表示為
LMMIequiv = （5）4N
3LπNλ0
neffWe2
式（5）為設計 1timesN對稱式多模干涉波導之初始依據
搭配波束傳播法（BPM）則吾人可找出合適的元件尺寸
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
e O
utpu
t Pow
er（
au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
At W
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ndashndashndash
ndash0ndashndashndashndashndash0ndashndash
Electrical Driving Power（W）
Rel
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
在製程方面此 1times3可調式MMI光波導衰減器不
論是在輸入 出或多模波導區均是對稱式 SiO2SiON
SiO2之薄膜結構利用電漿輔助式化學氣相沈積首先
3 microm厚的 SiO2以及 15 microm厚的 SiON依序被沈積在熱
導係數～ 140W（mK）的矽基板上在定義完元件圖
形後利用感應耦合式蝕刻系統乾蝕刻 SiON至 SiO2為
止接著再以 PECVD覆蓋上一層 2 microm厚的 SiO2包覆
層形成對稱式波導並降低傳輸損耗最後利用電子束
蒸鍍 50 nm鉻（Cr）與 200 nm鎳（Ni）在多模干涉區的
半邊以形成加熱電極圖 1（b）所示為此多模波導區的剖
面圖且為了降低輸出波導間的串音干擾（Cross Talk）
吾人利用 S形彎曲波導拉開輸出端間距至 200 microm此
外如圖 1（a）
所示並在輸入 出波導與多模波導間採用錐形波
導（Taper Waveguide）連接以降低成像失焦的耦合額
外損失（Excess Loss）[14]藉由PECVD所通之反應氣體
流量以調變 SiOxNy之氧 氮之間的比率此元件之波導
層與包覆層之折射率差設定為～ 00327（nSiON～ 15082
nSiO2～ 1471）為了有效達到輸出光之強度調變吾人採
用熱光效應機制對於氮氧化矽來說其具有正的熱光
係數約為～ 10ndash5 且熱導係數為～ 14 W（mK）
CrNi加熱電極的擺放位置為多模干涉區的下半邊當電
流通過電極時會使加熱區之溫度上升並造成氮氧化矽
折射率的增加且折射率的改變會沿著 x方向呈漸變分
佈根據式（4）與式（5）當有效折射率增加時會使基
模（β0）與一階模態（β1）的模間折射率差值變大進而
造成耦合長度（Lπ）與多模干涉區長度（LMMI）的縮小
由於此長度縮小的效應亦是沿 x方向漸變故輸出端波
導 AB與 C之光功率會受自成像改變的影響而有光功
率漸變的調變效果
圖 2所示為波束傳播法（BPM）之模擬結果首先
利用模擬找出 1times3 MMI分波器之最佳元件尺寸其長
寬分別為 2973 microm與 96 microm且輸入 出波導寬度均為
3microm根據熱光效應的模擬結果加熱電極的寬度設為
48microm如圖 2模擬結果所示當加熱區溫度上升時原
先光功率平均分配的 1times3 MMI分波器便成為1times3可調式
MMI光波導衰減器
圖 （a） times可調式多模干涉（Multimode Interference MMI）光波導衰減器（b）在 AAacuteI面方向之多模波導區剖面圖
圖 times MMI光波導衰減器在不同溫度下之 BPM模擬下面之光束剖面圖為施加電壓產生溫差 時的模擬結果
Output
Taper
Heating Electrode
Aacute
A
Input
z
y
（a）
x
ySiON（15μm）Heating Electrode
SiO2
SiO2
Silicon Sub
Multimode Section
3μm
m
（b）
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
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Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
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Channel AChannel BChannel C
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利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
實驗結果與討論
A氮氧化矽薄膜之折射率分析
吾人所使用之薄膜沈積機台為 Oxford Plasmalab
System 100 PECVD使用的反應氣體為 SiH4N2ONH3
及N2如前所述藉由精確控制反應氣體間的彼此流量
可沈積出 SiO2與不同折射率的 SiON此氣體流量控制閥
（MFC）對 SiH4N2O及 NH3的最大與最小（MaxMin）
可調變流量依序為（50＜10）（300010）與（10010）
因此能可靠地藉由調變 ON之比例沈積出不同折射率的
SiON薄膜圖 3所示為 22組不同折射率之 SiON薄膜
與反應氣體流量間的關係此 SiON折射率為利用稜鏡
耦合技術在 6328 nm的光波長下測定獲得根據此結
果可以發現隨著 N2OSiH4的氣體流量比率增加由於
能提供反應的氧原子增加會使得 SiON薄膜折射率趨近
SiO2而產生折射率逐漸下降的現象反之當NH3流量
增加時由於能提供反應的氮原子增加會使 SiON薄膜
折射率趨近 Si3N4而造成折射率逐漸上升此外本實
驗中N2為載體氣體（Carrier Gas）且其鍵結強不易被打
斷是故其流量對 SiON折射率的變化影響輕微根據圖
3所示之 22組 SiON薄膜折射率其範圍分佈可從 147
至194
B 氮氧化矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析（FTIR）
圖 4（a）所 示 為 在 NH3 流 量 80sccmN2 流 量
300sccm且 N2OSiH4比率為 4的成長條件下氮氧化
矽薄膜之傅立葉轉換紅外線光譜分析圖（FTIR）由於通
入之反應氣體中含有氫原子因此生成之氮氧化矽薄膜
會存在大量的氮 ndash氫（NndashH）鍵結而造成 NndashH鍵結伸
縮振動（Stretching Vibration）之典型吸收頻率換算為波
長約在～ 29 microm（Wavenumber為 3385 cmndash1）其第一
泛音（First Overtone）便落在 15 microm附近因此NndashH
鍵結會吸收通訊波段（1480ndash1580 nm）之光子造成傳輸
損耗本實驗中吾人採用高溫回火的方式打斷鍵結以
降低傳輸損耗如圖 4（b）所示於真空並通氮氣的環境
中1100 高溫回火可有效地降低NndashH鍵結含量
C 1times3可調式MMI光波導衰減器
本元件之量測架構輸入端信號源為 155microm波
長之 InGaAsP雷射二極體輸出端為鍺 ndash光二極體作
光功率偵測此外並利用電荷耦合元件（CCD）觀察
155microm波段之光場分佈此 CCD照相器採用 Spiricon
SPndash1550M可偵測 1460至 1625nm之波段信號在進
行光學量測前元件之輸入與輸出端皆經過研磨拋光以降
圖 利用 PECVD成長不同 SiON薄膜其折射率與反應氣體流量間的關係
圖 （a） SiON 薄 膜 之 FTIR 分析此 薄 膜 沈 積 時之 反 應 氣 體 流 量 分 別 為 N=00sccmNO=00sccmSiH=00sccm及 NH=0sccm（b）在不同回火條件下波數（wavenumber）從 0至 00cmndash之局部放大圖
00 000 00 000 00 000 00 000
0
0
0
0
00
Wavenumber（cmndash1）
SindashO
SindashOSindashO
NndashH
0 00 0 00 0 00Wavenumber（cmndash1）
00
0
0
00
00
Without annealing
00 hours
000 hour
00 hour
00 hours
（a）
（b）
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
00 0 0 0
000000000000
Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
ativ
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au）
（a）
（b）A B C A B C
Before tunning
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ndashndashndash
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Electrical Driving Power（W）
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Channel AChannel BChannel C
00micros
mV
V
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
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0
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
0 0
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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National Nano Device Laboratories
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
低耦合損失量測時利用透鏡式光纖（Lensed Fiber）
將信號耦合至輸入波導而欲觀察光場分佈時則加上
20倍之顯微物鏡將信號放大輸出當進行調變量測時
施加電壓於加熱電極上而輸出結果則分別由 CCD影像
軟體及光功率檢測器獲得
圖 5所示為三條輸出端相對光功率強度與電極之施
加功率的關係圖當電極之施加功率逐漸上升時可以發
現輸出端強度跟著逐漸變化此實驗結果與圖 2之 BPM
模擬相符合在光功率衰減方面首先定義
其中 Pin與 Poutidv分別為輸入與各別輸出之光功率
依此則量測到的衰減特性如圖 6所示對於輸出通道 C
來說其欲達到 22ndashdB的衰減量則所需施加的電極功率
為 22 W此外在 22 W的電極功率下通道 A及 B其
相對應的衰減量分別為 86及 12ndashdB圖 7所示為1times3
可調式MMI光波導衰減器的操作響應圖當施加～ 173
W的加熱功率時本元件的上升與下降時間分別為 455
及 420 micros對於熱光效應之衰減器來說此響應速度足
以適用於大部份對極化不敏感之光開關應用上
結論
吾人以氮氧化矽為基材在多模干涉的架構下利用
氮氧化矽之熱光效應成功地設計出 1times3可調式MMI光
波導衰減器其工作波長為155 microm藉由加熱多模干涉
區的半邊以改變自成像效應可達成輸出光功率衰減的
目的實驗結果顯示在施加 22W的加熱功率下可達
到 22ndashdB的衰減輸出此外本元件之操作響應時間可達
到～ 04ms由於元件本身採用多模干涉分波架構因此
具有結構緊湊低損耗對極化不敏感製作容易與頻寬
大等優點此外利用 PECVD成長氮氧化矽具有折射
率調變範圍大的優點這使得在設計元件上更有彈性
圖 （a） times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出相對光強度與加熱功率的關係圖（b）當施加～ W加熱功率前後其相對應的 CCD光場圖
圖 times可調式MMI光波導衰減器之三條輸出端衰減特性與電極施加功率的關係圖
圖 當施加一電壓脈衝至電極產生～ W之加熱功率下times可調式MMI光波導衰減器之光調變響應圖
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Channel AChannel BChannel C
Electrical Driving Power（W）
Rel
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Before tunning
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利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
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National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
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4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
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5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
利用多模干涉效應以氮氧化矽為基材設計1times3可調式光波導衰減器National Nano Device Laboratories
參考文獻
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
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稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用PolybenzoxazinendashSilica Hybrid Surfacewith Environmentally ResponsiveWettability Behavior
關鍵詞 Keywords
thinsp濕潤性Wettabilitythinsp蓮花效應 Lotus Effectthinsp表面響應材料 Surface Responsive Materials
奈米科技專論園地
摘要
濕潤性（W e t t a b i l i t y）是表面結構
的重要性質取決於表面的化學組成和
微觀結構本研究主要為利用一新穎
低表面能高分子 聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzox a z ine s）與二氧化矽
奈米粒子組成之高分子奈米複合材料
以浸潤於乙醇水溶液及真空乾燥之往復
式操作來達成超疏水至親水間可逆濕潤
性的控制且自超疏水狀態至親水狀態
中間的任一接觸角都可以經由控制浸潤
水溶液之時間以及真空乾燥的時間溫
度浸潤水溶液之種類和二氧化矽奈米
粒子之含量來加以控制達到浸潤於水
溶液之後其吸附力大為增加的特性可以
作為微小液滴傳輸之應用
Abstract
A responsive polymer composite film was generated by the use
of polybenzoxazinendashsilica nanoparticles hybrid films in response
to solvents (25 EtOH（aq）) The proper surface composition
for the reversible wettability and the surface roughness can be
achieved simultaneously in a twondashstep process The maximum
operation range of the water contact angle of the composite film is
between 167deg to 88deg from superhydrophobicity to hydrophilicity
Furthermore the surface contact angle of this hybrid film can
be easily modified to a desired value by simply controlling the
immersion time and dry time
The polybenzoxazinendashsilica hybrid film can be used as a
ldquomechanical handrdquo to transfer small water droplets from a
superhydrophobic surface to a hydrophilic one without any loss or
contamination fro typical microsample analysis
林漢清thinsp國家奈米元件實驗室
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
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National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
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5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
簡介
能夠自由操控物質表面的濕潤性是人們一直渴望的
無論是超疏水（水接觸角＞150deg滾動角＜10deg）到超親
水（水接觸角～ 0deg）都有許多已知令人驚豔的應用還有
更多尚待開發的潛在應用在自然界中蓮葉表面是超疏
水表面的最典型也是最早被研究的例子1997 年德國
生物學家 Barthlott 和Neinhuis 通過觀察植物葉子表面
的微觀結構 [1]認為蓮葉表面的自清潔（SelfndashClean）現
象是來自於表面微結構以及表面蠟質結晶被侷限在這表
面奈米級微結構層中的空氣猶如在蓮葉表面形成一層氣
墊灰塵或液體之接觸面大多由空氣支撐因此減少了其
與蓮葉間的吸附力量而表面蠟質結晶則提供了疏水性的
化學結構使的蓮葉表面由於擁有此種兼具微奈米的細緻
結構以及疏水性的化學組成從而達成蓮葉表面自清潔的
特性此種超疏水結構並不是蓮葉的專利在許多其他的
動植物身上也可以發現到類似的應用例如能夠在水面行
走的水黽蝴蝶身上色彩繽紛的翅膀以及壁虎的腳爪我
們都可以發現大自然除了賦予這些生物超疏水自清潔的能
力之外更賦予它們更多其他的求生能力比如蝴蝶翅膀
上的規則微結構除了擁有抗沾黏水滴的功用它其實也具
有光子晶體的規則排列而使的蝴蝶擁有色彩鮮豔的翅膀
顏色而壁虎腳爪上的微結構使的壁虎腳掌除了擁有自清
潔的功用之外更使的它擁有極強的吸附力可以如此微小
的腳掌支撐起壁虎整個身體的重量而能夠輕易爬上陡峭
光滑的牆壁
這些生物體上優異的求生本能被人們發現以及探究
原因之後許多人造超疏水表面就被製造出來如溶膠 ndash
凝膠法（SolndashGel）[2]電漿法 [3] 和微影蝕刻法 [4] 等雖然
超疏水材料在日常生活中就擁有廣泛的應用（如汽車外殼
的自清潔塗料乃至以超疏水處理後的纖維織成的襯衫）
但是超親水材料同樣也在應用面上有其一席之地如超親
水玻璃可使霧氣在其表面迅速攤平而不至於凝結成不
易滾走的微小液滴從而達到防霧的效果在交通工具的
後視鏡已經有普遍的應用若能夠在材料表面濕潤性控制
上實現如開關電燈般的自由控制則是人們所最為希望的
經由簡單的切換就能使材料展現出不同的濕潤性例如由
超疏水狀態轉變為超親水狀態在 2002 年表面響應材
料（Surface Responsive Material ）的概念被提出來 [5]
就是希望實現這個理想所謂的表面響應材料就是會
因應外在環境條件的改變而改變自身表面特性的材料
製備表面響應材料有三個要件 適當的化學結構與此化
學結構相對應的外在激發源以及適當的表面粗糙結構
不同的外在激發源則可以製備出不同的表面響應材料如
利用紫外光溫度電磁場和 pH值等 [6ndash9]另外具有強
吸附力兼具疏水特性的表面（如壁虎腳掌）因為在應用面
上已經有所謂的壁虎膠帶（Gecko Tape）的問世 [10]以及
在微量液滴傳輸上的用途也在近年來受到相當的關注
壁虎腳掌上的超強吸附力究竟是來自於凡德瓦力還是毛
細管作用力至今仍沒有一個確定的結論最近的研究指
出其可能是來自於凡德瓦力和毛細管作用力的共同作用
本研究即利用一新型的低表面能材料混合二氧化矽奈米
粒子簡易的透過浸潤於水溶液與真空烘烤即可操縱此
奈米複合材料表面的濕潤性並且在最後我們利用原子力
顯微鏡量測其吸附力發現在浸潤於水溶液之後其吸附力
有相當程度的提升
結果與討論
在先前研究我們已經發現聚氧代氮代苯并環己
烷（Polybenzoxazines ）此熱交聯型高分子的低表面
能特性其表面能甚至可以低於一般公認的低表面能材
料鐵氟龍（PTFE其表面能約為 21mJ frasl m2）[11]雖然
Polybenzoxazines 和氟系高分子均具有低表面能的特性
但是 Polybenzoxazines 相對的較為便宜以及易於加工
我們使用的二氧化矽奈米粒子之表面為氫氧基修飾可展
現出較為親水的性質圖 1（a）所示為製備此奈米複合
材料之示意圖在旋塗上 BAndasha Benzoxazine 於玻璃基材
上接著高溫交聯（210 1h）之後我們可以得到一平坦
表面如圖 2（a）所示在此表面之均方根粗糙度（Rootndash
MeanndashSquare Roughness）為 017奈米且其水接觸角
為107度當我們以高分子對二氧化矽奈米粒子之重量比
高於 50 phr 之狀況混攙奈米粒子之後我們可得到一超
疏水表面表 1所示為混攙奈米粒子之濃度與製備出來之
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
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National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
表面的粗糙度比較可以看出當奈米粒子濃度越高我們所
得之粗糙度即越高圖 2（b）和 2（c）展示了混攙 50 phr
及 120 phr 兩種奈米粒子濃度之原子力顯微鏡圖可以看
出120 phr 之奈米粒子濃度的表面遠較 50 phr 之表面來的
粗糙但是此兩者皆具有超疏水的特性在原子力顯微鏡
圖下皆可看出他們均擁有如蓮葉表面般的微米與奈米等級
的粗糙度每個微米等級的小島（1～ 3 微米）上均覆蓋
著奈米等級的顆粒（20～ 60 奈米）水接觸角分別為164
度及 167 度此種結構由於空氣所佔比例高在水滴與表
面之間可形成氣墊撐起水滴因此造成超疏水現象
親疏水可逆實驗步驟流程圖以圖 1（a）表示透過選
擇性溶劑 25 Ethanol（EtOH ）加溫至沸點浸煮 70 1
小時推論浸煮時 EtOH 使水溶液的表面張力降低後水
溶液在原本超疏水的表面浸潤的更好因此降低水在表
面的接觸角浸煮產生的氣泡使奈米粒子表面覆蓋一層
水膜使測得接觸角由超疏水表面變成親水表面 [1213]
經由真空烘烤 120 3小時即可將薄膜表面所覆蓋的水
膜帶走回復 Polybenzoxazine 薄膜低表面能性質使測
得接觸角由親水表面變回超疏水表面圖 1（b）當配製
添加重量比至 120 phr 的奈米粒子可達到最大親疏水
轉換差距
由上述低表面能材料輔以奈米粒子添加至 50 phr
時所製備的薄膜表面即可達到超疏水特性由表 1 觀察
改變奈米粒子比例與疏水角度的變化於疏水表面增加
SiO2 奈米粒子的比例可使表面粗糙度增加所測得的接觸
角度相對比較大經由浸煮後比例高的 SiO2 奈米粒子所
表 改變奈米粒子含量對表面均方根粗糙度以及水接觸角之變化
sample no THF （mL）
benzoxazine （g）
SiO2 nanoparticle （g）
rms roughness （nm）
Water contact angle for first cycle
as prepared wet state dry state
1 10 05 025 218plusmn11 164 125 164
2 10 05 035 231plusmn15 164 125 161
3 10 05 045 259plusmn16 165 121 161
4 10 05 050 270plusmn18 167 118 161
5 10 05 060 303plusmn21 167 88 161
圖 聚氧代氮代苯并環己烷二氧化矽奈米粒子之奈米複合材料可逆濕潤性之示意圖（a）親疏水可逆實驗步驟示意圖（b）當配製添加重量比至 0 phr 的奈米粒子可達到之最大親疏水轉換差距
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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National Nano Device Laboratories
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
聚氧代氮代苯并環己烷之奈米複合材料在超疏水至親水間溼潤性控制之探討與應用National Nano Device Laboratories
測得的接觸角較低推論 SiO2 奈米粒子的作用除了增加
表面粗糙度外造成的粗糙度也使覆蓋的水膜更多可使
測得的親水角度更低透過不同 SiO2 奈米粒子的比例均
可達成可逆（Reversible ）的現象
使用 OH 基改質之奈米粒子透過浸煮不同時間觀
察其變化由圖 3（a）比較添加 50 phr 與 120 phr 的
SiO2 奈米粒子浸煮不同的時間與親水角度變化並使用
烘箱 65 烘烤至乾確認仍保有潤濕性浸煮後的表面使
用噴槍將表面吹乾後測接觸角當配製的表面粗糙度越大
時浸煮後角度變化較大且浸煮時間至 60min 後測得的
親水角度趨於定值推論此時表面奈米粒子已完全覆蓋水
膜後角度變化變小圖 3（b）真空烘烤時間與疏水角度的
變化隨著烘烤時間至 3 小時後水接觸角度趨於定值推
論此時表面奈米粒子所覆蓋的水膜已完全被真空烘烤帶
離回復疏水的薄膜性質我們可以經由控制浸煮時間還
有真空烘烤的時間自由掌控此表面的水接觸角
我們利用原子力顯微鏡來研究添加 50 phr 濃度奈
米粒子之複合材料表面在浸潤水溶液前（水接觸角 = 167
度）後（水接觸角 = 118 度）之吸附力如圖 4 所示在浸
潤水溶液之後吸附力大幅的由 196 nN 提升至 728 nN
顯示出在本實驗中吸附力增強的主要因素為毛細管作
用力此種疏水卻又吸附力強的表面特性潛在許多有趣的
應用圖 5 即為利用我們所製備出來之超疏水表面以及
疏水且具有強吸附力的表面將一個微小液滴沒有體積損
失的運送到另一個親水表面的範例
圖 含不同奈米粒子濃度之奈米複合材料的原子力顯微鏡圖（a）純的 polybenzoxazine 表面右上方為其化學結構（b）含0phr 濃度的奈米粒子（c）含 0 phr 濃度的奈米粒子之表面
圖 經由控制浸煮時間和烘烤時間可改變薄膜表面之接觸角（a）浸煮不同的時間與親水角度變化（b）烘烤時間不同與疏水角度變化
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
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[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
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奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
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相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
主題文章 7 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
結論
在超疏水表面的製備上我們不使用一般認知之低
表面能物質氟化物進行修飾只使用無機奈米粒子 SiO2
以及本身具疏水性質之熱交聯型低表面能材料（BAndasha
Polybenzoxazine ）製備出超疏水表面我們提供一種改
變薄膜的表面特性的方法利用浸潤於水溶液與真空烘
烤可自由操控接觸角可達到最佳親疏水特性由最低 88
度親水接觸角至最高 167 度超疏水接觸角並且經由
控制實驗條件即可自由的操控親疏水可逆變化另外我們
透過原子力顯微鏡發現在浸潤於水溶液後奈米複合材料
的吸附力有大幅提升我們並示範了此吸附力提升之表面
特性擁有微量液滴傳輸的應用
本文摘錄自國研科技 22期
參考文獻[1] W Barthlott and C Neinhuis Planta 202 1 1997
[2] I Woodward W C E Schofield V Roucoules J P
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YCChangFCAngewChemIntEd452248 2006
[12] MohammadiRWassinkJAmirfazliALangmuir
2096572004
[13] SoenoTInokuchiKShiratoriSApplSurfSci
2375432004
圖 利用彈性係數為 N m 之探針所得之原子力顯微鏡力 ndash 位移圖（a）浸潤水溶液前之狀況 （b）浸潤水溶液之後
圖 利用製備出之吸附力提升之複材表面將水滴由超疏水表面轉移至親水表面
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
相關學術會議報導 1
年度盛事「2009奈米元件技術研討會」由國家奈米
元件實驗室主辦已於 98年 4月 29～ 30日兩日假新竹
科學工業園區奈米電子研究大樓國際會議廳舉行這次
研討會共有投稿論文 167篇25家廠商贊助約 340位
教授研究生與相關業界人士報名參加除了國科會副主
委陳力俊教授交大吳重雨校長國研院王永和副院長
等貴賓與會（圖 1）知名人士半導體之父施敏教授也受
邀蒞臨本會場（圖 1）
研討會由三場大會專題演講揭開序幕第一位大會
專題演講講員為陳力俊教授（圖 2）演講題目是『矽奈
米線』陳教授首先介紹有關矽奈米線未來可應用於半導
體工業的相關前瞻研究內容大致可分為兩大部分第一
部分是金屬矽化物奈米線的相關研究第二部份是整合
金屬矽化物技術的超短通道矽奈米線元件的相關研究
第二位大會專題演講講員為耶魯大學 TsondashPing Ma教
黃心寧國家奈米元件實驗室2009
奈米元件技術研討會
圖 貴賓親臨會場左起施敏教授王永和副院長（左 ）吳重雨校長（右 ）陳力俊副主委（右 ）
圖 陳力俊副主委（左 ）演講後與楊主任合影
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 1
授（圖 3）演講題目是『以高遷移率通道材料為基礎的
未來互補式金屬氧化物半導體元件技術發展』內容闡
述以矽基板為主的元件微縮勢必會遭遇更多物理或材料
本質極限的問題因此許多具有較高電子遷移的材料
如奈米碳管石墨薄膜IIIndashV族基材等被熱烈地研究
其取代矽通道的可能性其中又以 IIIndashV族基材最為被看
好演講中回顧許多相關研究題材的研究近況如在 IIIndash
V族基材上的閘極介電層探討IIIndashV族薄膜在矽基材上
的成長以及電洞遷移率的改善研究等馬教授表示相
關課題目前仍然有許多問題需要克服最後由澳洲New
South Wales大學的 Gavin Conibeer 教授（圖 4）主講
『第三代太陽能電池』第三代太陽能電池主要為具有著
極高效能（＞31）的新型太陽能電池包含堆疊型太陽
能電池（Tandem Solar Cell）熱載子太陽能電池（Hot
Carrier Solar Cell）頻譜朝上或朝下轉換器（Up or
Down Converters Solar Cell）會場凝聚了濃厚的學術
氣氛本次研討會除邀集學術界工業界及政府機構相關
人士投稿發表研究成果外另安排多場領域專家學者的
專題演講進行專業知識與實務經驗的分享此次研討會
分二個會場舉行其議題涵蓋有奈米電子元件技術奈米
光電與能源元件技術奈米生醫與微機電技術奈米製造
與奈米材料技術高頻技術及應用奈米檢測技術及應用
等領域希望藉由領域內有建樹的科學家和研究員們討
論他們在奈米元件研究領域的遠見進一步促進奈米元
件技術相關學界業界人士的交流除專題演講之外本
次大會議安排了兩場短期課程包含新加坡大學的 Yeendash
Chia Yeo教授的『Subndash20nm CMOS Device Technology
Empowered by Materials Innovation』及主題為當前極
熱門的『綠色能源與照明』內容吸引許多人熱烈參與
除場內專題演講進行外場外亦同步進行論文海報
成果展示與學生論文獎競賽（圖 5）人潮聚集熱鬧非凡
本競賽由主辦單位邀請兩組評審委員分別進行線上論文
與現場海報二階段的評審凡參加競賽之論文在第一階
段評審完後再統一以海報之方式作展示研討會當天受
評審委員親臨評分（圖 6）參加競賽者於公佈評選時間
站立海報張貼位置前專注解說海報內容及回答評審委
圖 TsondashPing Ma教授演講 圖 Gavin Conibeer教授演講
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
意見回函填寫人姓名
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2本期中您最喜歡的文章主題是
3您覺得本刊物有哪些地方需要改進
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National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
00奈米元件技術研討會National Nano Device Laboratories
員的問題並細心地與與會者解說研究成果以進行學術
交流此外大會現場並設有攤位提供相關領域廠商進場
展示（圖 7）
研討會最後高潮在閉幕式二天下來的專題演講
論文競賽讓會場充斥人潮而於第二天研討會閉幕式公
佈論文競賽結果並進行頒獎頒獎現場除緊張氣氛外亦
情緒高漲最後頒發獎狀及獎金予評選出的學生論文獎
得主以玆鼓勵（圖 8）此刻亦將會場氣氛帶至最高潮
本年度的奈米科技盛宴讓大家收穫滿滿
會議相關資訊彙整完畢後將放置網站sndtndlorgtw
圖 九位得獎者與本實驗室戴寶通技術長合影
圖 論文海報競賽現場 圖 各家廠商展示攤位
圖 論文海報競賽現場
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 2
此 215th ECS Meeting國際會議乃美國電化學學會
的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
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發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
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出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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的例行會議舉辦至今已超過 100年之久可持續地提供
一個國際論壇討論電化學固態科學及最近技術預知
和奈米科學的最新進展此次舉行地點選在舊金山希爾
頓大飯店其中含蓋 47個討論主題及 5個短期課程共
有 1579篇論文發表來介紹他們最新的學術研究和技術發
展同時也有 22廠商展出攤位提供最近的技術與新知
從中我亦獲得不少資訊與知識
本次的議題如下筆者選擇 General Topics 和
Batteries Fuel Cells and Energy Conversion 及
Dielectric and Semiconductor Materials Devices and
Processing等三主要領域做為新知搜集的重點
在這次的會議中（圖 1）筆者所發表的文章為
Fabrication and Application of Copper Nano Doughnut
with Electrondashplating Method on Patterned Nickel
TemplateProgram Number NOndash105 （presented
at Tuesday May 26 2009 6～830 PM）Session Title
Nanotechnology general Session A2 是 屬 Poster
Presentation文章乃描述以半導體標準製程從週期鎳陣
列模板成長電鍍銅甜圈餅陣列並藉由生長時間控制來達
成奈米級圓心的製作進而以 AFM及MFM觀察它們磁
化前後的外貌同時用 FTIR量測其在添加磁性蛋白質前
後的光學性質變化探索此元件作為生化檢測的可能性
這次的論文聽講中發現來自 Plenary Lecture
Nanosystems Nanomechanics and NanondashOptics的幾
篇文章幾乎對目前所進行的研究有相當大的距離需
要進一步消化與吸收不過其仍富啟發與導引無論是
製備的方式結構應用及理論均有些不同的見解因此
可以提供不錯的激盪其他如日本大陸及韓國亦有相
當不錯的研究成果發覺他們對電化學與固態和奈米科
技的世界競爭及投入是越來越積極其中H9session的
Metallic and Semiconducting Nanoparticles for Energy
Conversion 主題之研究成果報告頗為精彩與重要和目
前轉換的太陽能電池研更是相關所以啟發頗多
此次至美國美國加州舊金山參加會議已是第三次且
為五月底但氣溫卻甚低所以有一衝動探究其成因察
文獻乃知舊金山位於中緯度及北美大陸的西岸中半
島最北端的地理位置三面環著冰冷的海洋（太平洋與舊
金山灣）因加州沿岸海水受上升流（海洋深處的水上升
至表面）太平洋高壓及西南季風的影響海水表面溫度
極低等因素所致故需攜禦寒衣服或許是氣候異常所
致也因此會中對綠色能源的重視有不少太陽能及各類
電池相關的文章發表亦強調環保愛地球的迫切需要因
此此會議令人有頗多收穫
215th ECS Meeting 國際學術會議報導
吳世全國家奈米元件實驗室
San FranciscoCAMay 24ndash29 2009
相關學術會議報導 2
List of Symposia
a ndash General Topics
b ndash Batteries Fuel Cells and Energy Conversion
c ndash Biomedical Applications and Organic Electrochemistry
d ndash Corrosion Passivation and Anodic Films
e ndash Dielectric and Semiconductor Materials Devices and Processing
f ndash Electrochemical Chemical Deposition and Etching
g ndash Electrochemical Synthesis and Engineering
h ndash Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures
i ndash Physical and Analytical Electrochemistry
j ndash Sensors and Displays Principles Materials and Processing
圖 此照片為筆者正在希爾頓大飯店之大會議廳發表此次Poster論文
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
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您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
National Nano Device Laboratories 第59屆電子零件與技術會議報導相關學術會議報導 3
第 59屆電子零 件 與 技術 會 議（59th Electronic
Components and Technology Conference ECTC 2009）在
美國加州聖地牙哥的 Sheraton San Diego Hotel amp Marina
舉行本會為一歷史悠久長久專注於電子零件材料
裝配封裝系統封裝相關研究及技術發展之重要會議
由 IEEEs Component Packaging and Manufacturing
Technology Society （CPMT）及 EIA （Electronic Industry
Association）共同贊助舉行本屆受到H1N1及景氣的影
響參加者人數較去年下降約 25參展廠商亦下降至
52個
整個會期於 5月 26日首先以早上及下午各 8 場
Professional Development Courses 揭開 序 幕 包 括
「Vertical（3D）HyperndashIntegration and Packaging of
MicrondashNanondashSystems」「Emerging IC and Systems
Packaging Trend to 3D and Beyond」hellip 等極具吸引力之
主題提供參加者對於相關基礎技術或新興領域學習的
機會傍晚從以「Consumer Electronics and Packaging
Technologies in Times of Recession and Recovery」為
題之 Panel Discussion正式開始整個會期的活動由日
月光集團資深技術顧問William Chen博士主持座談
會貴賓包括來自 DataquestKPMGCisco Systems
Microsoft等業界及財經界的專家主要討論現今全球經
濟情勢對未來消費性電子發展趨勢的影響其精闢的論
點獲得與會者熱烈的迴響
5月 27日開始 3天的技術議程包括 36個 Oral
Sessions2個 Poster Sessions及 1個 Special Student
Poster Session總共有來自 20個國家的 340篇論文發
表其中 42 的論文來自北美洲37 來自亞洲另外有
17 來自歐洲今年我國總共發表了15篇技術論文其中
工研院 7篇論文居國內論文數榜首中山大學則以 4篇
居次
5月 27日至 29日的早上及下午各有 6個 sessions
5月 27日中午大會在午餐時間頒發前一年的最佳論文及
傑出論文並邀請 Qualcomm CDMA Technologies的
資深副總裁兼營運總經理 Jim Clifford先生以「Less
and MooreWireless Fabless Factoryless」為題發表
演說晚間的 Plenary Session「Product Qualification
Strategies in the Semiconductor Industry」則是由Cisco
Systems Inc的 Technology and Quality 總監 Jie Xue博
士及 Intel Corporation的 Senol Pekin博士共同主持
對於產品發展過程中如何在降低成本加速進入市場
維持創新等方面取得平衡著墨甚多亦討論到隨著元件
尺寸微縮及新型封裝技術的演進而出現的全新失效模式
（Failure Modes）會中請到 QualcommDataquest
IBMAlteraLenovo各公司負責產品品質的業界先進和
大家分享他們的經驗
5月28日晚間則有以「Nanotechnology for Advanced
Devices and Packages」為題 的 CPMT Seminar主要介
紹日本最新之奈米技術及其於先進印刷電子元件及封裝技
術之應用5月 27日及 5月 28日的下午各有一場 Poster
Session地點就在廠商展覽會場旁讓整體氣氛更顯熱
鬧筆者於會期間亦抽空參觀各廠商的展覽現場攤位
以儀器製造商服務提供廠商為主較為特殊的是 IMEC
及 Georgia Institute of Technology 的 Microsystems
Packaging Research Center 也設了攤位IMEC主要
介紹其 3D IntegrationRF System IntegrationOptical
and Stretchable Interconnects之研發成果後者則著重
於尋求業界合作機會
值得一題的是在整個會期中每晚都有許多讓大
家互動的社交場合從 5月 26日傍晚的 ECTC Student
Reception5月 27日傍晚的 Exhibitor Reception以及 5
月 28日晚間的 59th ECTC GALA Reception讓與會者在
輕鬆的氣氛下拓展自己的人脈筆者於其間得識Motorola
的 Dr LihndashTyng Hwang 及 Wilinx 的 Dr Rockwell M
Hsu兩位長年參與 Electronic Components amp RF的
Program Committee我們幾位來自台灣的與會者由兩
位前輩處得到相當親切的問候和鼓勵算是此行難忘的
回憶
黃國威國家奈米元件實驗室第59屆
電子零件與技術會議報導
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
活動紀實 1 奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906
資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
現況同時徵求 98學年度學研合作計畫特於 5月15日
及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
讓大家進一步了解如何有效運用NDL現有設備與資源
並進行相關合作研究計畫提升台灣學術水準及產業技
術發展
會中首先介紹NDL學研計畫申請辦法審查要點及
合作項目草案接下來邀請中央大學資訊電機學院綦振瀛
院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
活動紀實
圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
1 本刊發行宗旨已傳遞本實驗室奈米領域專業文刊另報導本實驗室研發成果及合
作計畫之成果為主並希望藉此刊物與奈米領域業界即學術界持續交流盼能對學
術界及業界提供更好的服務
2 本刊竭誠歡迎奈米各方先進同業及奈米元件實驗室同仁踴躍惠賜稿件資料及圖
件等
3 來稿每篇以 1000～ 5000字為宜請將稿件 endashmail或郵寄給我們並請註明「通
訊稿件」作者姓名住址及電話以便我們與您聯繫
endashmailnoblehuangndlorgtw郵寄地址新竹市科學園區展業一路 26號
4 本刊對來稿有刪改權不願刪改者請於稿件上註明稿件如有版權爭議責任概由
作者自行負責來稿一經刊載本實驗室將依規定致贈稿費
5 下一期通訊於 98年 8月10日截稿歡迎踴躍投稿
稿約
發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
美術編輯 洋葱設計
出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
本刊文字圖片皆有版權非經本刊同意不得轉載翻譯
本刊內由作者提供之圖文若有侵害第三人權益情事概由作者自行負責與本刊無涉
意見回函填寫人姓名
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1您對「奈米通訊」的喜好程度非常喜歡 喜歡 尚可 不喜歡
2本期中您最喜歡的文章主題是
3您覺得本刊物有哪些地方需要改進
4您希望我們出版的內容建議
National Nano Device Laboratories
感謝您對本刊物的支持誠摯希望各位讀者惠賜您寶貴的意見
您對我們建議與指正都是促進我們進步的原動力請您將回函
傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
0
奈米通訊emsp 16卷No2 | 200906相關學術會議報導 4
0
相關學術會議報導 4
29th CLEOIQEC 會議報導
謝嘉民thinspthinsp游文謙thinsp國家奈米元件實驗室
Conference on Laser and ElectrondashOptics（CLEO）
為雷射與光電科學領域首屈一指的科技研討會為世上
最新穎最尖端之雷射與光電科學技術與應用發表場
合本次 CLEO 2009會議包括 16種不同領域的頂尖技
術以及邀請 83位在這些領域受到敬重的研究學者參與
研討會有超過 1000人次的口頭論文報告以及超過 284
人次的論文海報展示其中有 50的研究人員來自美國
以外的 35國國家本次會議特別結合了CLEOIQEC 兩
個研討會分別在奈米光電電磁材料光學流體之生物感
測及分析以及高能固態雷射參加此會議的目的為發表研
究成果並涉獵其他學者及研究團隊之研究與參觀展覽
本次 29th CLEOIQEC 會議在美國馬里蘭州巴
爾的摩國際會議中心舉行（圖 1）本研究團隊在此次
會議發表口頭報告及海報展示研發成果（圖 2）分
別 為 Near Infrared Silicon Quantum Dots MOSFET
Detector（Oral Present）以及 Optical SumndashFrequency
Generation and FerrondashElectric ndashLike Switching in SindashO
Polar Structure（Poster Present）
在光電元件領域以矽基材料所發展出來的光電元
件是我們一直所追求的技術因為它與矽微電子有高度
的相容性不幸地矽材料並不會吸收波長大於 12 microm
的光所以不適合應用於一般的光通訊元件然而在奈米
科技的高度發展下我們發現矽材料在奈米尺度下展
現的光電特性完全異於矽塊材光電特性例如矽 二氧
化矽奈米結構在室溫下具有可見的有效發光的光激螢
光（Photoluminescence）利用此矽奈米結構化材料製
造的金 ndash氧 ndash半（MOS）電容二極體無疑地替矽光電
感測元件發展成功地打開了一扇窗近年來有許多紅外
線光偵測器是利用金屬與多孔矽蕭基接面所製造但是
此技術為非薄膜製程所以非常難以整合於光電元件
隨著奈米科技的技術進步許多學者對矽基光電元件整
合技術產生莫大的興趣在此我們也不例外在口頭報
告這篇論文中我們利用感應式耦合電漿化學氣相沉積
將零維度矽量子點埋於奈米孔洞二氧化矽並將此奈米
結構化材料置入金 ndash氧 ndash半場效電晶體（MOSFET）的
閘極介電層利用量子點所產生的量子侷限效應以及量
子效應中的能帶內吸收（Intraband Absorption）來吸收
紅外光並利用電晶體的放大電流特性將光響應度加以
放大在 420560以及 770nm光響應度分別為 04
07nm以及 09 AW更在 940nm波長達到最大的光響
應度 6 AW最重要的是在近紅外光通訊波長 155 microm
也達到 28 AW的光響應度這不僅僅是世界上第一顆
全矽材料的近紅外電晶體光偵測器其光電響應特性更
遠遠超越其他矽量子點近紅外偵測元件高達八個次方數
量級以上
在記憶體元件領域為了滿足與日俱增龐大的資訊
流動量與儲存量半導體 IC製程工業渴望能獲得一個理
想的記憶體技術來製造出高速的靜態快閃動態存取記
憶體而其中又以能有效節約能源的快閃記憶體有可能
成為未來主流的記憶裝置因為即使我們將電源切斷仍
然能保持記憶資料的效果基於這種想法以電極化狀
態為儲存資料的非揮發性記憶體（NVM）引起我們高度
的興趣此種以鐵電材料取代傳統閘極介電層的電晶體
我們稱之為 FeFET我們可以從不同大小的源極到汲極
電流輕易的得知閘極的極化狀態應用此種現象可以得
到理想的記憶體技術提供高速存取省電高密度的非
圖 海報展示研發成果實況
0 0
National Nano Device Laboratories 29ththinspCLEOIQECthinsp會議報導
揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
結的存在做進一步的驗證這種人造類鐵電材料技術不
僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
針對我們在此次會議報告研發成果中相關的雷射製
程並分析整體雷射及光電發展將我們現有的雷射技
術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
及壽命長等優點最近十年光纖雷射之輸出功率以每年
倍增之速度快速成長除了上述的優點以外我們覺得光
纖雷射最大的優點就是不需要用到繁複的鏡片組將雷射
光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
因為光學桌的振動以及人為的因素可能引起的實驗不穩
定度對實驗穩定度有大大的提升效果
除了雷射功率以及穩定度不斷的提升雷射製程技
術也是日新月異在會議中發現有許多廠商也提出許多
新穎的雷射製程技術其中又以利用雷射挖槽刻線取代
傳統的光學微影技術將太陽能電池進行串並聯為最讓人
耳目一新的製程技術然而雷射技術應用並不止於太陽能
電池的串並聯在面板裡薄膜電晶體製程中雷射技術也
是扮演相當重要的角色在我們在這次會議中展示的海
報及口頭發表的論文中也有許多關鍵的技術是需要用到
雷射像是通道的結晶離子佈植後的活化hellip等對於薄
膜電晶體而言也是缺一不可的技術而在大面積的薄膜
電晶體製程完畢之後必須要進行切割成小面積的加工為
了避免機械切割上造成玻璃及元件的損壞及污染在這
次的會議中 Rofin公司也有提出利用雷射進行玻璃的切
割從這次的會議中我們發現雷射技術已經扮演著重要
的角色不管是在太陽能或半導體及面板產業因此若我
們能好好地運用我們現有的雷射機台與未來的研究做緊
密的結合那將會對我們的發展有更大的突破
圖 此次會議參與人員
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資源分享以共創半導體產業與奈米科技領域的競爭優勢－98年使用者合作研究座談會
謝佩玲國家奈米元件實驗室
國家奈米元件實驗室（NDL）為鼓勵全國各大學院校
師生及學術研究機構研究人員有效利用本實驗室之軟硬
體設備資源每年定期舉辦使用者 合作研究座談會為
使學研界充份了解 NDL目前的合作研究成果及服務使用
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及 5月 22日假新竹奈米電子研究大樓（圖 1）及成功大學
自強校區奇美樓分別舉辦一場座談會希望藉由此活動
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術發展
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院長交通大學電子物理系趙天生教授及清華大學電子系
葉鳳生教授就其研究做經驗的分享另針對 NDL奈米元
件廠奈米量測分析及高頻技術等專業實驗室及對外服
務系統做詳細的報告
為使 NDL成為世界級 20ndash10奈米電子元件的研究
重鎮及學術界先進元件製程的研發平台並與未來十年
兆元奈米元件產業先行接軌NDL積極提升製程能力
整合研究課題建置奈米元件製造與未來電子系統整合
技術的研究平台期能培育產業界亟需的尖端技術人才
近五年透過本實驗室進行的學研計畫計 743件透過各
類型共同開發計畫及核心設施營運服務所培育的高級技
術人才更高達 27747人次
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圖 使用者 合作研究座談會（新竹場）
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發行人 楊富量
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編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
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出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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揮發性記憶體在海報展示這篇論文中就是利用我們奈
米結構化材料的接面特性發展出新一代以矽製程製造
出低介電係數的類鐵電材料 FeFET將類鐵電材料置入
在二氧化矽當閘極介電層而類鐵電材料是由矽奈米晶粒
（ncndashSi）成長在二氧化矽的孔洞通道而二氧化矽的孔洞
通道結構內部有大面積可調控的奈米孔洞是由自我組成
的機制所構成的並利用非線性光學中的光合頻產生光
譜（Optic SumndashFrequency Generation）來對矽 ndash氧鍵
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僅是前所未有更是證明了奈米技術的無限發展潛能
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術及概念投入太陽能電池及面板技術發展是勢在必行
的雷射技術在現今的太陽能電池及面板產業的生產線
中將成為是不可或缺的重要工具及技術面對薄膜技術
以及第三代太陽能電池的快速發展雷射製程技術應用
的範圍更是隨著不斷拓展在此我們將介紹針對太陽能
電池所發展出的最新雷射製程技術
在此會議中我們發現除了傳統的氣體雷射以及固態
雷射之外有越來越多的高功率光纖雷射（Fiber Laser）
代表光纖雷射可能是未來的一個趨勢光纖雷射具有能
源轉換效率高光束品質佳產品輕薄短小營運成本低
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光導進實驗區域只需要用到一條光纖便能輕易的將雷
射光引到實驗區域進行雷射製程消除了許多鏡片組可能
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發行人 楊富量
總編輯 謝嘉民
編審委員 戴寶通吳文發張茂男黃國威謝健黃健朝
執行編輯 陳瑞蓉
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出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
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出版者 財團法人國家實驗研究院 奈米元件實驗室出版委員會
登記證 行政院新聞局版台省誌第410號
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傳真至 03ndash5713403 黃心寧16卷No2 | 200906
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