|
主要分成奈米科學、奈米工程與奈米半導體元件等三個類別
|
奈米科學
|
-
奈米結構量子多體效應及光電特性分析研究
以物理基本原理(First Principles)為起點，針對各式奈米結構，進行量子多體效應及光電特性的理論研究；將其運用於材料的分析與設計，諸如奈米碳管成長機制、海水淡化、藥物研發等，並發展相關數值模擬軟體。
重要主題與計畫：
- 開發新的密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)核心程式。目前在密度泛函理論中，電子交換-相關能量 最常採用的是根據 局部密度近似(Local Density Approximation, LDA) 或 局部自旋密度近似(Local Spin Density Approximation, LSDA)假設所導出的，這種近似無法正確描述電子的多體效應(Many-Body effect)與相關性(Correlation)，因此現有DFT雖能正確的計算出基態能階，但無法計算激發態能階，於計算半導體能隙也有相當大的誤差。本計劃已重新對電子多體系統能態以簇集展開(Cluster Expansion)的方式處理，使得密度泛函理論中的等效單電子本徵能態方程式，能明確鑑別出電子密度、及相關性的修正項，同時排除不合理的電子自能(Self-Energy)項；並進一步配合具體的惰性元素系統、穩定分子系統，進行自身一致(Self-Consistent)近似，得到奈米物理方程式，作為新核心程式的開發基礎。
- 進行分子鍵結的奈米簇集(Nano-Cluster)特性分析，計算奈米巨分子材料的相變臨界行為。配合快速的演算法(有限元素方法，Jacobi-Davidson 法，平行演算法)，考慮外加催化劑的效應，進一步拓展核心程式在生物科技上的奈米基礎、與應用。
- 進行奈米異質結構之穩態、準穩態及量子傳輸特性分析，除了計算量子阱超晶格、量子線 及 量子點 等低維度奈米光電特性，將考慮外加靜電場、靜磁場及電磁場的效應，以求解時變薛丁格方程式來分析時變場與奈米異質結構之交互作用。視需要引入量子統計、等效質量近似 或 密度泛函理論 來處理多體效應。
-
量子資訊
量子資訊科學是近十年來甫新興起的科技領域。其基礎理論建立在二十世紀初由波爾、薛丁格、海森堡、愛因斯坦等人所建構的量子物理，另一方面又結合了電腦、通訊、奈米技術與光電工程等，所蛻變衍生的跨領域前衛科技。量子資訊科學的誕生，不只為基礎科學研究提供了新視野，更重要的是它所提出的革命性概念與方法，將對通訊科技與高速計算產生巨大的變革。尤其是量子通訊的實現，極可能在可見的十餘年內，顛覆傳統的通訊技術。其影響不僅限於商業通訊，特別是在國防與太空探索所需的通訊範疇，更是可能帶來重大的技術提昇。所以在歐、美、日等先進國家，甚至以色列與中國大陸，皆在近年來經由國家的大力支持，紛紛成立量子資訊科學的研究中心。
量子資訊科學的探索可追溯至八O年代，由物理學家如加州理工學院的費因曼（Richard Feynman）等人提出，利用量子力學的波動特性，可建構超越傳統電腦的計算工具；稍後則由英國牛津大學的David Deutsch 寫下其理論雛型。到了九O年代初期，美國IBM的Charles Bennett與AT&T貝爾實驗室的Peter Shor分別提出量子遠傳（Quantum Teleportation）概念與快速整數分解技巧，可應用在資訊的安全傳遞以及密碼系統的高速破解。其基本原理，簡而言之，就是利用量子物理獨有的量子平行與量子纏結特性，使得大量的資訊可以在極小的原子系統中同時處理，達到大量平行、快速運算與傳遞的功能；另一方面又因量子物理波動的本質，使得任何有效的資訊竊取在量子通訊中皆為可察覺，進而提供了更安全的通訊技術。這些革命性理論引發量子資訊科學突破性的進展，而其相關實驗也已在美國、歐洲，甚至南半球澳洲的實驗室中獲致初步的成功。
另一方面，根據半導體工業的發展經驗，每隔兩年電腦CPU就成長一倍，而每個晶片上的電晶體數目也隨時間呈指數函數成長。依此推算，十年後一個晶片上的電晶體數目將可能超過10億個，這表示再不久電腦的記憶儲存結構就必須以單一原子為單位。在這以原子為單位的微觀世界中，系統中傳遞資訊的電子與光子不再遵循古典的動力法則，取而代之的正是量子力學，此一認知也更加刺激了量子資訊科學勢在必行的發展。
為了對量子資訊有基礎性的了解，目前工作著重於建立有效的數學工具，用以作量子糾纏態（Entangled States）的量測與描述其物理意涵，並同時探尋其可能的應用。
-
奈米碳管在場發射顯示器之模擬計算
自從Iijima於1991年發現奈米碳管（Carbon Nanotubes, CNTs）後,由於其獨特的結構及奇特的物理、化學及力學特性，吸引許多研究人員投入奈米碳管的應用研究。從電晶體、奈米導線、超導元件、電子源、顯示器、貯氫材料、導熱材料到化學反應器與偵測器都可以找到它的應用。然而在這麼多應用中，目前最接近商品化的非奈米碳管場發射顯示器莫屬。研究發現納料碳管的端口極為細小而且非常的穩定，十分有利於電子的發射。它具有的極加的場發射性能，使其有望可取代目前使用的其它電子發射材料。場發射顯示器（Field Emission Display, FED）為一種新一代的平面顯示器，這種顯示器的發光原理與陰極射線管(Cathode-Ray Tube,CRT)相同，都是以電子撞擊到螢光材料而發光。但與CRT不同的是這種顯示器FED沒有偏向板，每一個畫素(pixel)都有自己的徵電子源，只要在需要顯示時使該處的場發射元件發射電子，相對的就不需要很複雜的驅動電路，發射極至楊極的距離也可以大幅縮短，可達到顯示平面化的目的。同時，正因為它是以場發射電子撞擊到螢光材料而發光，因此比起其它的平面顯示器如液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器(PDP)等還有功率消耗少、能瞬間啟動以及亮度高等優點。
場發射的過程基本上是一個量子力學穿隧(Quantum Tunneling)效應。當施加足夠之電壓於閘極與陰極時，將會使導體表面附近之真空能階與表面功函數降低。基於這個效應，電子可以在不額外提供能量的情況下，即有很大的機率由發射尖端穿越金屬表面之位能障壁進入真空區。根據Fowler和Nordheim的研究，場發射的電流密度J、電場強度E和能量障壁的關係滿足所謂的Fowler-Nordheim方程式，顯示場發射電流密度與發射極材料特性、幾何形狀以及局域電場有密切關係。早期的場發射平面顯示器都是使用Spindt型微三極結構作為場發射電子源，其發射極為圓錐型。閘極則為具有中空平的結構，要產生場發射通常需要很高的電場。在此結構下，發射極尖端附近電場會大幅?強，場發射條件很容易達到。但由於Spindt型微三極體在電流?加、電子聚焦與真空製程等方面都有相當大的限制，因此增加了場發射顯示器商品化的困難。
由於奈米碳管具有相當低的電子親和力(electron affinity)，使其擁有非常低的場發射功函數與相當好的發射特性。研究也指出奈米碳管發射極的起始發射電場可低至0.75~0.8 V/μm，場發射電流密度可達10mA/cm2，同時它也具有優異的熱、機械與化學穩定性，基於這些優點奈米碳管很快就應用在場發射顯示器上。目前已有許多研究團隊提出先進的奈米碳管場發射顯示器設計，如韓國三星公司所提出的底層閘極式三極結構與工研院電子所提出的反射式與平面閘極式三極結構，這些研究已使場發射顯示器的商品化即將實現。
奈米碳管雖然有上述諸多優點，但作為場發射平面顯示器的電子源，它仍存在一些問題需要克服：奈米碳管的場發射並不完全符合Fowler-Nordheim方程式。在F-N關係圖上奈米碳管呈現非線性的I-V關係，而且在高電壓區電流會有飽和的現象，這使得在設計驅動電壓控制顯示器亮度時發生果難；另一方面，當奈米碳管在頂諯吸附氣體後，它的發射特性與等效功函數會改變。這個特點雖然可用在控制奈米碳管的發射行為，但他也同時影響到顯示器影像的穩定性與壽命；此外，奈米碳管發射電子的均勻性也非常重要，它會直接影響顯示器的解析度，尤其是奈米碳管在製程上的些微差異有可能造成發射電流相當程度的不均勻，因此必須改善奈米碳管發射極的製程與設計。
基於上述奈米碳管顯示器需要克服的問題。在本計畫中我們將對奈米碳管的場發射特性、奈米碳管頂端吸附氣體對發射特性的影響與奈米碳管顯示器的幾何結構與尺寸設計等問題進行模擬研究，在奈米碳管的場發射特性方面，我們將使用密度泛函理論(density functional theory)對奈米碳管及其頂端吸附氣體時作第一原理(first-principle)計算，以得到不同外加電場下的最高佔據分子軌道(highest occupied molecular orbit, HOMO)，並進而計算出奈米碳管的功函數(work function)；在顯示器的幾何結構設計方面，我們將採用粒子式、有限差分時域模擬程式MAGIC code來進行電子軌跡的模擬，以找出最佳的結構設計。
|
奈米工程
|
奈米工程的研究主要是以工程的出發點來發掘奈米科技於工程上的應用，有別於一般以基本物理化學之基礎原理來研究物質在奈米尺度下之基本性質及行為。雖然，物質在特性的改變是發生於在奈米尺度之下，但以元件的應用上有可能仍是在微米或是公分的尺度之下。在前論述中，前者即屬於奈米科技之基礎研究，而後者則屬於工程領域範圍之研究。若以專業之術語來描述此二研究領域之差異，即在前者之研究需考慮原子與原子作用中之電子傳輸之量子行為，後者可將原子與原子間之交互作用視為質點動力學。
奈米工程之主要研究方向是以古典之分子動力學為主，並向上結合大尺度如微米至毫米之有限元素等巨觀尺度之運算法則，成為一多尺度之工程應用計算；或是以原子尺度為基礎，以平行運算之技巧，直接發展至次微米或微米之工程應用計算。目前國網在奈米工程方面已完成的研究有以分子動力學來模擬各種薄膜沈積製程，如離子化物理沈積製程及離子蝕刻製程等，在奈米尺度下之薄膜成型機制及沈積形貌等問題，這些問題皆是下一世代半導體製程中之前導研究。此外，亦針對新興之奈米材料之力學行為做一探討，如碳球之撞擊力學行為及碳管受拉伸及壓縮應力之動態行為等，這些問題之研究均有助於發掘這些奈米材料在工程上的新應用。最後，亦結合國家奈米實驗室之研發能量，共同研究分子動力學模擬與實驗之比較計畫，目前已經完成發展一套分子動力學之演算法，能精確的計算薄膜之沈積形貌。未來將以目前奈米尺度之模擬為基礎，利用平行計算之技巧，將計算之尺度延伸至微米，甚至至毫米尺度。目前規劃之研究有多元合金在高壓下之金相結構分析及水分子在金奈米管之擴散行為研究，分別將與成功大學及中山大學共同合作。
|
奈米半導體元件
|
在奈米半導體元件模擬方面，由於傳統半導體元件結構受到閘極氧化層厚度的限制，以微縮化改善傳統金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)元件執行效率的方式，面臨材料與結構上的瓶頸。所以，發展先進元件勢在必行，先進元件包括：SOI(Silicon on Insulator)、雙閘極金氧半場效電晶體(DG SOI MOSFET)與高介電係數閘極絕緣層(high-k)元件。三種元件中，因SOI 元件之物理與元件特性已有許多相關研究，所以，本研究主旨在於探討DG SOI MOSFET與 high-k 元件之結構、物理與操作特性，進而分析先進元件之結構(閘極通道長度、閘極氧化層厚度、摻雜濃度、通道厚度與 high-k 材料選擇等)設計規則。同時因奈米尺度時，電子除了傳統輸運現象之外，波的性質與發射(ballistic)現象不可忽略，而且因溫度造成之晶格振動對電子運動的影響也需要考慮。目前在奈米尺度之模擬模式不如古典輸運模式完備，仍有許多現象與模式問題有待釐清分析。因此，本研究亦將探討與構建奈米尺度之元件模擬模式與計算方法。
|
重要的主題與計畫
- DG SOI MOSFET 元件結構變化，包括：閘極氧化層厚度、閘極通道長度、摻雜濃度、通道厚度等對電流電壓特性之影響。
- DG SOI MOSFET 元件結構變化包括：閘極絕緣層厚度、閘極通道長度、摻雜濃度、通道厚度等對臨界電壓(即元件開關特性)之影響。
- 不同模擬模式，如：古典輸運模式、量子修正模式與量子輸運模式模擬DG SOI MOSFET 元件結果之差異與應用限制。此一主題為目前執行中之國科會計劃：分散式奈米雙閘極金氧半場效電晶體之二維傳輸與量子效應模擬(NSC 92-2215-E-492-010)。
- DG SOI MOSFET 元件結構最佳化設計。
- High-k 元件(MOS與MOSFET)結構變化，包括：閘極氧化層厚度、high-k 材料等對電容電壓特性之影響。
- High-k 元件(MOS與MOSFET)結構變化，包括：閘極氧化層厚度、high-k 材料等對閘極漏電流之影響。
- 探討製程對不同High-k材料元件結構的影響。
- 模擬模式與計算方法構建。
|
過去經驗
- MOSFET 元件閘極氧化層厚度對電流電壓與閘極漏電流特性之影響
- 模擬模式與平行計算應用於半導體元件(MOSFET)模擬之研究，完成分散式近似二維量子化模型-靜電方程式-蒙地卡羅法之奈米半導體元件模擬研究
- DG SOI MOSFET 元件結構變化，包括：閘極氧化層厚度、閘極通道長度、摻雜濃度、通道厚度等對電流電壓與臨界電壓特性之影響。
- High-k 元件(MOS與MOSFET)結構變化，包括：閘極氧化層厚度、high-k 材料等對電容電壓與閘極漏電流特性之影響。
|
|
TOP | 回上一頁 |
服務項目一覽
