柔性透明可撓之新型電子開發平台(下)

 

刊登日期:2022/7/13
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蔣平志、劉德祥、朱英豪 / 清華大學材料系
四、柔性雲母平台發展現況
本實驗室長期將各種功能性材料成長於柔性雲母平台上,內容涵蓋了各種導電材料、光電材料、鐵電材料、壓電材料、磁性材料、光觸媒及光水解材料、二維材料以及第三代半導體金剛石、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、氮化鋁(AlN)和氧化鋅(ZnO)等各種單晶材料,研發成果皆已發表於相關期刊之中。本實驗室基於取之於社會、用之於社會的精神,我們從中篩選出部分能快速投入產業界,為產業界提供競爭優勢的產品。此外,我們也購置業界常用設備,進而開發出能與產業界無縫接軌,且極具商用潛力之產品。我們所有的產品開發係先採取PLD 脈衝雷射沉積製程,PLD的優點是快速彈性,依需求成長磊晶薄膜後,可立即進行相關分析與成果確認,立即將產品修正後導入量產,因此可以滿足所有客製化需求。同時,為了能與產業界接軌,樣品製備採一般業界常用的磁控濺鍍低溫成膜製程(Magnetron Sputtering)以及化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition; CVD) (如圖六)。
 
團隊利用上述製程,在雲母基板上,已成功開發出Ga2O3/mica等多種四吋可撓單晶及四吋可撓功能性材料,各項產品規格與功能詳如圖七。其中Ga2O3/mica被稱為新一代半導體,我們清楚知道半導體製程進入奈米等級後,勢必產生許多相關問題,例如3D封裝及熱能累積效應等。而晶圓(Wafer)減薄成為解決熱能累積效應不錯的方法之一,因此宜特公司在2021年利用減薄工藝,成功降低晶圓厚度至38 μm,進而降低RDS(on)(導通阻抗),減少熱能累積效應,增加晶片使用壽命。此法具一定難度,所耗費的人力與時間較多,稍有不慎易造成損壞。而我們團隊的Ga2O3/mica若能開發作為晶圓基材,此超薄晶圓基材勢必具有更好的散熱,具體積更小、性能更高、較低的功耗以及更低的成本等多項優勢。
 
圖七、利用業界製程在四吋雲母基板上,成長各種可撓功能性材料產品
圖七、利用業界製程在四吋雲母基板上,成長各種可撓功能性材料產品
 
針對上述幾項產品,茲分述如後。
1. 透明導電氧化物薄膜材料
透明導電薄膜是指在可見光波長(400~700 nm)範圍內,具有高透光率(80%以上),電阻小於1×10-3 Ω‧cm。目前透明導電氧化物薄膜材料,相關產品應用廣泛,例如:液晶螢幕、有機發光二極體(OLED)螢幕、觸控螢幕、電控調光玻璃、感測器、抗靜電薄膜、加熱薄膜、太陽能電池電極等,不勝枚舉。
 
一般常見被用來製作透明導電氧化物薄膜的材料有二:
(1) 氧化銦錫 (Indium Tin Oxide; ITO)
ITO為In2O3中摻雜少量的Sn而組成,調整適當摻雜比例,在雲母上成長出較低電阻(小於1×10-3 Ω‧cm)及良好光穿透率(可見光波長範圍,透光率80%以上)的透明導電氧化物薄膜。在可見光範圍下,我們比較了ITO/PET及ITO/mica薄膜的穿透率(樣品製備採磁控濺鍍低溫成膜製程(Magnetron Sputtering),可以明顯看出ITO/mica比ITO/PET的光穿透率更好。(如圖八) 
 
圖八、ITO/mica及ITO/PET穿透率比較
圖八、ITO/mica及ITO/PET穿透率比較
 
接著我們也量測了ITO/PET與ITO/mica彎曲次數與導電性變化的關係,我們發現ITO/PET彎曲時,電阻會隨彎曲程度急遽上升(如圖九(a))。令人驚喜的是,受到彎曲的ITO/mica的透明導電薄膜,它的電阻彎曲前中後電阻均保持定值(如圖九(b))。這也表示ITO/mica作為柔性透明可撓導電元件,即使處在彎曲狀況下使用,導電薄膜仍保有原有效能。ITO/mica在受到彎曲後曲率半徑為 4 mm,實驗彎曲次數達 50,000次後,仍維持起始狀態的電性,這也說明長時間的彎曲後,ITO/mica透明導電薄膜不會受到損害(如圖九(c))。
 
(2) 鋁摻雜氧化鋅 (Aluminum Doped ZnO; AZO)
AZO 為ZnO之中摻雜2 % Al原子時其載子濃度有最大值。將適當摻雜的AZO成長於雲母基板上時,可以製作出---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

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