神秘的材料：氮化物半導體：材料世界網

賴昆佑 / 中央大學光電系

三五族氮化物是一種很特別的半導體，她有特別的性質，也有特別的歷史。現在，氮化物半導體變得越來越重要，因為電動車、5G通訊、智慧電網都少不了她，報章雜誌也常常提到她，還幫她取了一個俗名，叫「第三代半導體」。除了跟電相關的應用，氮化物量子井還有超高的發光效率，是LED的關鍵材料。這些讓人驚豔的特性與用途，都是在極高的缺陷密度中被展現出來的，所以有科學家說她是「神秘的材料」。其實氮化物不只能調節電、產生光，更可以感測DNA，讓我們來了解一下她是怎麼做到的。

【內文精選】

氮化物半導體的新應用

InGaN磊晶層容易形成點狀結構，產生絕佳的載子侷限效果，這種特性很適合發光，也很適合感測。在生醫感測的領域中，有種技術叫「表面增益拉曼散射(Surfaceenhanced Raman Scattering; SERS)」，是許多科學家認為極具潛力的感測方式。

SERS是一種光子帶動電子共振的現象。每一種分子在固定的環境溫度下，其高階軌域電子都有相對應的振動頻率，這個振動頻率在入射光的激發下會改變，當振動中的電子從激發態回到穩定態時，會發出光子，就是所謂的拉曼散射光。因為每種分子裡的電子振動頻率都不同，發出來的拉曼光波長也不同，因此，每種分子都有其專屬的拉曼訊號。分子的拉曼訊號，就像人的指紋一樣，具有很高的辨識度，這是生醫感測元件(Biosensors)追求的功能，感測元件的辨識度越高，誤判的機率就越小。

圖三是典型的SERS結構。為了要放大微弱的拉曼光，SERS結構需要金屬奈米顆粒，而且奈米顆粒的間距必須非常短(<10 nm)，才能形成奈米共振腔，也就是所謂的「熱點(Hot Spot)」。若熱點附近出現待測分子(如DNA)，熱點就能與分子產生耦合(Coupling)，藉此引發局部表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance; LSPR)，將拉曼光放大數萬倍以上(>10⁴)。除了LSPR效應，SERS的超高訊號倍增能力，也來自於「電荷轉移共振(Charge Transfer Resonance)」。顧名思義，電荷轉移共振就是藉由電子轉移的機制，引發的共振效應。電子轉移的路徑，可以從分子的低階軌域到金屬；也可以從金屬到分子的高階軌域。一般來說，電荷轉移對SERS的貢獻不如LSPR，大約只能讓拉曼光增強10 ~ 100倍。

圖三、SERS (Surface-enhanced Raman Scattering)的結構示意圖，顯示熱點(Hot Spot)訊號必須在奈米金屬球間距小於10 nm、且附近有待測分子的條件下，才會出現

圖三除了說明SERS的結構與機制，還點出了SERS的最大問題：穩定性不足。這個問題，源自於SERS的基本原理，無論是LSPR或是電荷轉移，這兩種共振產生的光強度，都對光源(待測分子)的位置極度敏感。從圖三中我們可以看到，DNA必須非常靠近熱點，在DNA裡振動的電子，才能將產生拉曼光的能量耦合至熱點裡的金屬電子，讓金屬表面的自由電子隨著拉曼光的微弱電場一起振動，再藉由熱點(奈米共振腔)裡的LSPR效應，將拉曼光增強。對電荷轉移效應來說，DNA與金屬之間的電子轉移，也必須發生在熱點附近，才能透過熱點裡的電子共振，放大拉曼訊號。

就提升SERS強度而言，InGaN量子井能增加電荷轉移路徑，讓參與共振的電子變多，如圖五所示，該圖顯示DNA、Au、量子井三種材料的能帶圖。大多數SERS結構建立的電荷轉移路徑，僅限於分子與金屬之間，也就是圖五中的μ₁、μ₂、μ₃三條路徑，能量低於分子HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)的電子，被雷射激發後，可透過這三條路徑，轉移到可以自由振動的能階，增加拉曼光強度。若將分子與金屬固定在InGaN量子井的表面，InGaN裡的量子能階，就透過額外的三條路徑（μ₄、μ₅、μ₆），補充更多的共振電子至Au或量子井的導電帶，讓SERS強度進一步提升。