技術名稱 高品質共面非對稱二維半導體之晶體開發
計畫單位 國立臺灣科技大學
計畫主持人 何清華
技術簡介
半導體科技的蓬勃帶動了國家經濟的發展,自從2004年單層石墨烯由石墨塊被剝離並且製成高遷移率的場效電晶體後,二維半導體電子與光電元件暨積體電路的發展逐漸熱絡地展開,然而石墨烯並不具備半導體的能隙無法有效截止電晶體的工作電流,進而提高開關比,因此二維半導體如過渡性金屬硫屬化合物(Transition-metal dichalcogenides, TMDs)比如MX2 (M=Mo, W, Re與X=S, Se),就受到很大的矚目,TMDs的能隙與Si和GaAs差不多皆為1~2 eV之間,它們因更容易薄化使得TMD場效電晶體易於閘控(開關)其工作電流,同時少層的TMD材料也會出現直接能隙,使得它們於發光與光電半導體元件上的應用上更形重要。計畫主持人的實驗室從事TMDs的單晶成長與其特性研究已有22年的歷史,尤其是成長二硫化錸與二硒化錸(ReS2與ReSe2)系列單晶,技術領先全球,晶體的品質堪稱目前世界最佳,優於半導體供應商與各大學研單位,所採用的方法是"可程式真空封管技術"與"化學汽相傳導法",將放置起始材料的石英管,置於機械幫浦與擴散幫浦合而為一的真空系統,並設計可程式圖型面板控制器來控制氣動閥門,每次抽真空或破真空,配合氬氣進入石英管,並不破壞整體機械幫浦與擴散幫浦的真空,只針對石英管部份做抽破真空的動作,因此真空度可達2~3x10-6 Torr,最後再用乙炔氧燄封管,以確保晶體的高純度,這有別於其他真空封管技術是由擴散幫浦處破真空,當系統再抽真空時將耗時許久,因此我們所成長的ReS2與ReSe2品質極佳,全世界只有我們的晶體在低溫下可測得5個偏振光激子螢光訊號,其他研究群都只能有2個基本激子螢光訊號,此結果獨立發表於Nano Energy, 56, 641-650 (2019),歷年來國內外傑出研究群皆來索取研究樣品以製成電子與光電元件,除了我們實驗室本身的探討外,國內外傑出團隊的合作研究也使得本實驗室ReS2與ReSe2系列半導體的論文數達約50篇,當中包含Nat. Commun., ACS Nano, Advanced Func. Mater., Nano Energy, Phys. Rev. B與Opt. Express多篇重要期刊,自2014年起至今並持續有三篇被列為WOS的Highly Cited papers,種種成果證明了我們所成長二維材料的高品質。
科學突破性
ReS2與ReSe2具備了三斜晶低對稱性,因具有共面非對稱性可有5組能隙激子發光,為E1ex, E2ex, E3ex, ES1ex 與 ES2ex且為不同軸向的線性偏振光,可製做多波長紅外線發射器光源,目前世界上除了我們的晶體外皆只能有E1ex與 E2ex的2個激子發光,這驗證了我們的晶體成長技術。
產業應用性
1.可提供塊材ReS2,ReSe2和ReS2(1-x)Se2(x)不同成分之(大)層狀單晶
2.可技術移轉本實驗室真空封管暨晶體成長技術
3.可代為設計並製做原型電子與光電元件
4.可提供二維半導體材料與元件之光電特性與品質檢測之服務
關鍵字 錸的硫屬化合物 二維半導體 共面光學非對稱性 發光元件 偏振光 二維電晶體 發光材料 二維光檢測器 二維材料 單晶成長
備註
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  • 何清華
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