從CSW 2016看半導體材料與製程發展近況

刊登日期:2017/1/4
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曾仕君 / 工研院材化所

前言
2016年在日本舉辦的 Compound Semiconductor Week International Conference and Exhibition是半導體元件( Device )、三五族( GaN )、奈米碳材( Nanocarbon Material )應用、太陽能電池與先進製程等應用領域的大型國際會議。

會議內容包含了 12大項的半導體元件相關材料、製程議題與技術發展,如高頻電子元件、奈米碳材與應用、奈米結構設計與特性、三五族材料與應用、可撓性材料等等。這些議題的技術發展有的剛剛起步,有的則已經發展多年。由目前 3C電子材料與推進工業 4.0的發展觀點出發,這些技術仍有許多有待突破的地方,如:高頻電子元件的奈米結構設計與材料應用以及穩定性、使用分子束磊晶( Molecule Beam Epitaxy, MBE )與其他製程技術製作薄膜太陽能材料的轉換效率、奈米結構設計與製程配合材料端應用、奈米碳材與 2D未來應用在工業 4.0之技術發展、軟性基板與材料的提升與電子線路整合等。

在技術層面上看來,研究人員首要突破的是思考新一代的技術與應用,再配合相關的材料進行整合,方有機會突破現階段的思維。此次會議包括 Oral 和 Poster共有 713篇論文發表,在討論議題上,大部份屬於未來工業 4.0相關研究,包括材料、結構設計與製作以及太陽能發展方向。
 
會議重點精摘
此次會議發表的技術都聚焦在 3C應用以及未來工業 4.0等大方向,因為3C產品的發展與更替速度快、需求高,故技術須不斷推陳出新。不過,雖然是以半導體為軸心,但仍可看到無論是哪一個主題其涵蓋的技術發展方向都相當廣泛,且彼此互相聯結,這也說明一項產品的開發需整合多種技術與團隊合作方能達成。

本文將介紹會議12大領域中的5項發展趨勢,包括:①. Nanocarbon and Novel 2D Materials 、②. Epitaxy & Nano II、 ③. Nanostructures、 ④. Epitaxy & Novel Materials、 ⑤. Nanocarbon Application,並針對各項能源的技術應用方向作說明。

2. Epitaxy & Nano 
薄膜與奈米的議題主要是討論利用相關成長技術,包括:分子束磊晶( Molecule Beam Epitaxy;MBE )、金屬有機氣相沉積( Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;MOVPE )等來製作奈米結構的材料並分析其電性,主要的發展方向在元件應用。其中來自瑞士的教授K. E. Moselund 等共同研究”Integration of III-V Heterostructure Tunnel FETs on Si Using Template Assisted Selective Epitaxy ( TASE )”,考量未來電子元件的電力消耗,故這個研究製作 III-V 族穿隧場效電晶體元件( Field Effect Transistor;FET ) 來降低操作電壓以及提升整體效率。

研究團隊發展 Template Assisted Selective Epitaxy ( TASE )技術製作III-V族材料,此擇區成長奈米材料技術除了可配合製作穿隧 FETs外,也可在不同成長條件下成長(可垂直也可平行成長),圖八是利用 TASE 在矽基板上製作垂直 InSb 奈米線,其中(a)、(b)與(c)分別是不同的矽基板方向 (110), (110), (111);(d)為 InSb 的 TEM 影像,圖(f)是製作的示意圖:從蝕刻矽奈米線再沉積SiO2 保護層與上方開口將 Amorphous-Si 蝕刻,接著沉積 III-V 族材料,最後將 Template去除。圖九是橫向成長的示意圖,首先在矽基板上製作矽的元件層,再製作 SiO2 的Template並且蝕刻開口,接著在 Template內成長 III-V族材料,最後將 Template去除,利用 TASE 方式製作 III-V 族材料的 FETs元件。

圖八、垂直製作奈米線FETs元件TASE技術
圖八、垂直製作奈米線FETs元件TASE技術
 

圖九、橫向製作奈米線FETs元件TASE技術示意圖
圖九、橫向製作奈米線FETs元件TASE技術示意圖

在這一系列研究與測試結果中發現,III-V 族垂直 FETs元件的次臨界斜率( Subthreshold Swing;S )從 150 mV/dec下降到 70 mV/dec,詳細的實驗結果如圖十所示。雖然這個研究過去已經開始進行類似的結構與材料,並有許多研究團體在持續努力開發,但所提出的 TASE方法仍值得學習與思考---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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