材料科学与工程学系

1、材料科學與工程學系計畫名稱：平面光波導元件之鉺共摻雜氧化鈦基薄膜材料製程與光電特 性研究研究者：陳三元經費來源：行政院國家科學委員會 關鍵詞：光波導放大器; 鉺摻雜; 溶凝膠 ; 聚集成團; 螢光 隨著近年來電腦網路通訊的發達及光通訊技術的微小積體化，因此如何加強在光纖通信中，訊號的放大與減少傳導中的損失，是一個相當熱門的研究。其中在光纖放大器(optical fiber amplifier)及光波導放大器(optical waveguide amplifier)應用上，以如何提高Er在母材的摻雜量之製程研究，一直是相當重要的關鍵。由於溶凝膠法鍍膜和目前傳統的濺鍍製程不同。其具有低溫製程及組成

2、易調控與成分均勻特性，特別是對於提高鉺的摻雜量，是有很好的效應。因此本研究，計畫以溶凝膠法鍍膜製程，以TiO2為母材（因其有高的折射率，2.5與有低的聲子能量，700cm-1），基於nonbridging oxygens的形成、結構相似性及energy transfer等觀念，來研究在sol à gel反應過程中，可能會因螯合或時效(aging)程度不同而影響到Er3+的結構或是聚合特性，及利用第三共掺雜離子如Al3+或Y3+或Yb3+的添加，來製備具有不同光電特性之Er-M共掺雜離子之TiO2薄膜。並經由這些具有不同特性之離子氧化物的添加，來探討Er3+離子在基材的分散性、loca

3、l structure與偶極交互作用(electronic dipole-dipole interactions)，進而比較這些共掺雜離子對於Er3+離子在TiO2薄膜基材內所扮演的角色及機制。本研究計畫的主要工作，包括溶凝膠法溶液合成，及鍍膜製程參數的控制，針對Er3+離子的溶解量，熱處理與氣氛燒結的條件等製程因素，來探討這些共掺雜離子氧化物的添加對於鉺(Er)摻雜薄膜基材之結晶性、微觀結構、clustering與光學特性的影響。並經由製程的控制，瞭解這些Co-doped oxides的角色及機制。以期能經由相關研究而研發出適合製造鉺(Er)摻雜光波導放大器的薄膜製程。NSC90-2216-

4、E009-041（90N418） -計畫名稱：電極/鐵電薄膜/結緣層/矽晶體結構之薄膜製程及特性劣化研究研究者：陳三元經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：鐵電薄膜;PZT、SrBi2Ta2O9 ; 液相（化學）溶液法 ; 疲勞性質 ; 金屬/鐵電薄膜/絕緣層/半導體 結構 ; 絕緣層 ; 漏電流由於鐵電薄膜記憶體(FRAM)，不僅具有優越儲存非暫態資料(nonvoltile)的特性，同時又可以如DRAM般的快速讀寫及更高密度的記憶容量，如何整合現有鐵電薄膜與矽晶積體電路製程，在MOSFET的Gate上製作鐵電電容。使得FRAM可以滿足下一代Sub-0.1µm IC devices。

5、其中最主要的研究工作就是包括(i)如何研發具有EOT小於10Å，並具有高介電與熱穩定性之絕緣緩衝層材料與薄膜製程。(ii)鐵電薄膜本身材料結構、相關電特性及製程的改善。(iii) 熱處理及氣氛對於絕緣緩衝層與鐵電薄膜，甚至與矽晶基板之界面(interface)反應及鐵電薄膜相關電性影響的研究。同時必須針對鐵電薄膜與矽晶積體整合製程，電極/鐵電薄膜/絕緣層/Si晶體可能產生的鐵電薄膜疲勞、時效劣化及漏電流等相關問題。因此本研究計畫以兩年的時間:第一年:本研究計畫以液相化學鍍膜為主，首先針對電容式結構 (Metal-Ferro-Metal, MIM)，分兩方面進行:(1) 在Pt/Ti/

6、SiO2/Si 基板，首先針對PZT與SrBi2Ta2O9 鐵電薄膜之製程及相關電性做一個詳細研究比較，並考量各種添加劑的添加與熱處理氣氛的的控制對於鐵電薄膜之疲勞及時效劣化與漏電流等特性、晶體結構及空缺形成的影響。(2) 針對”Metal / 絕緣層 / Si ”結構，在Si上進行絕緣層薄膜材料如La2O3、LaAlO3 (不會與Si 或是SiO2產生明顯的反應並具有高介電。)的相關界面反應與熱穩定性探討，同時針對絕緣層薄膜之結晶、相關物性及電性進行分析與研究。 第二年: 除了延續第一年之工作，包括PZT及SrBi2Ta2O9與絕緣層薄膜製程的改善及進一步的分析外。(1) 首先將探討絕緣層薄

7、膜對於鐵電薄膜，在不同氣氛熱處理下的結晶性及相關電性的影響。(2) 進一步針對 金屬/鐵電薄膜/絕緣層/半導體 結構，來探討絕緣層特性、熱處理氣氛的控制及各項添加劑對鐵電薄膜的C-V (即memory window)、I-V、Dit與疲勞劣化等相關電性與界面分析，並進一步探討MFIS與矽晶積體製程整合時之後段熱處理氣氛(如forming gas atmosphere)對於MFIS之劣化的研究，進而比較PZT及SrBi2Ta2O9-based MFIS之相關特性的優劣，以開發出適合於這種高密度記憶體之薄膜材料和製程。NSC90-2215-009-061(90N363) -計畫名稱：高功效鑽石場效

8、發射顯示器（FED）元件之製作與特性分析研究者：陳家富經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：偏壓效應；場發射；奈米碳管；電子顯微鏡；穿透式電子顯微鏡此研究計畫主要是研究在奈米碳管合成中直接改善碳管的特性而不需再對其做任何前處理或是後處理。研究發現偏壓效應可以直接影響奈米碳管的管徑大小與其特性。這個簡單的方法可以應用在許多合成奈米碳管的合成系統中。經由電子顯微鏡的觀察發現，施於正80V時管徑大小為45奈米；而在負1V時，管徑則增加至120奈米尺寸(已達次微米尺寸)。而在拉慢光譜分析中，ID / IG比的大小會隨著正偏壓的增加而降低。這顯示正偏壓可以提升奈米碳管的石墨化結構。此外亦發現施於正偏壓的

9、碳管亦有較佳的場發射特性。這主要是因為下述原因。（I）表面有較少非晶質碳；（II）較佳的石墨化結構；（III）較高的場發射係數 b 和（IV）較小的管徑。另外我們也利用本實驗室已通過的專利：二氧化碳和甲烷來成長奈米碳管。藉此和傳統的反應氣體（氫氣和甲烷）來做比較。由於在反應中，二氧化碳和甲烷會產生較多碳原子，導致奈米碳管的成長加速。利用上述偏壓效應與含高碳量的反應氣體的優點，對於應用奈米碳管在低溫合成中有很大的幫助。NSC90-2216-E-009-036 (90N413)-計畫名稱：鑽石與低介電類鑽薄膜在薄膜型微波通訊元件之應用研究研究者：陳家富教授經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：表面

10、聲波濾波器;熱燈絲化學氣相沉積;鑽石;氧化鋅;交趾式電極要想達到GHz範圍的高頻表面聲波元件，一般傳統表面聲波元件的材料，如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰是很難做到的。由於近幾年來化學氣相沉積鑽石成長技術，我們可以來研究表面聲波元件在鑽石結構上的製作，而且這個結構和系統也已經實際應用在表面聲波濾波器上。即使是多結晶的鑽石膜，由於具有高表面聲波傳遞速度；同時，因為能量都只集中在表面，鑽石膜厚只需要幾個微米就足夠，所以能夠在低成本下大量的生產。此外，鑽石的高熱傳導率和其優秀的高彈性常數也被發現能夠用在超高能量控制方面，所以鑽石除在高頻應用上的特性，比一般的傳統材料優秀外，甚至應用在低頻時，也比傳統材料勝出許

11、多。在本研究中，我們利用熱電子輔助化學氣相沉積法，在矽晶片成長大面積的多晶鑽石膜，並挑戰研磨鑽石膜。而氧化鋅由於其極佳的壓電特性，及其易於利用濺渡法沉積於各種基板上的特性，近年來廣泛地被選為成長壓電薄膜的材料。高均勻品質的鑽石膜結合上高優選方向的氧化鋅薄膜，及利用舉離法所研製出的交趾狀電極，製作出鑽石表面聲波濾波器。此外，本計畫還比較在相同的交趾狀電極下，氧化鋅/鑽石/矽，以及氧化鋅/矽這二種結構的表面聲波濾波器的特性差異。NSC90-2213-E-009-040 (90N277)-計畫名稱：無鉛銲鍚的電遷移研究研究者：陳智經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：無鉛銲錫；微電子構裝；電遷移在消

12、費電子產品以及微處理器的構裝中，有兩種趨值得注意，第一個趨勢是將以無鉛銲錫取代傳統的含鉛銲錫。第二個趨勢是直接將矽晶片接在organic 的基板上，此技術稱為Direct Chip Attachment(DCA) 或是 Flip Chip on Organic.含鉛銲錫的使用一直是造成鉛環境污染的一個重要原因之一。因此，美國、歐洲和日本已開始注重此問題。並將於近年內禁止鉛在電子產品的使用。同時隨著消費電子產品的小型化，電子構裝中用的銲錫即將面臨一個嚴重的可靠性（reliability）問題：即Electromigration，電遷移。本計畫擬設計適合研究銲錫Electromigration的結

13、構: 即矽V形槽(V-grove)、 Blech和球狀三種試片，並運用NDL和交大半導體中心的製程儀器及技術來製作銲錫Electromigration試片。將使用SnAg、SnCu、SnAgIn、以及SnAgCu等四種無鉛銲錫，進行銲錫Electromigration的量測及研究。本計畫第一年將針對純錫、SnAg和SnCu等三種無鉛銲錫進行研究。先建立純錫及加入少量的Ag或Cu 之後Electromigration基本資料。第二年再將重點放在較複雜的SnAgIn以及SnAgCu兩種無鉛銲錫。並開始設計並製備球狀Electromigration試片，模擬Flip Chip中的銲錫球。第三年再將著

14、重在無鉛銲錫球的Electromigration研究。研究的重點包括以下兩項重要的課題：（1）觀察和分析銲錫的顯微結構演化和電流密度、溫度以及時間的關係。（2）量測Electromigration速率。將對無鉛錫銲錫的Electromigration特性做一個有系統的研究。NSC90-2216-E009-042 (90N419)-計畫名稱：氮化鎵族化合物半導體之高功率電子元件製作及其高頻亮側分析研究者：張翼經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：衛星通訊;微波通訊;氮化鎵;高功率;假晶;高速電子元件;誘導耦合電漿;高頻;光輔助濕式蝕刻;有機金屬化學氣相沈積;歐姆接觸;蕭基二極體;基地台;T閘極;

15、空氣橋本計畫延續上年度研究成果，主要研究下世代（3G、4G或更高）無線通訊基地台關鍵零組件氮化鎵高功率高電子遷移率功率電晶體（Power HEMT），以供未來數位無線通訊系統基地台使用。由於氮化鋁及氮化鎵極佳之基本材料特性如寬能隙（分別為6.2 eV及3.4 eV）、且氮化鎵具有高飽和漂移速率（3×107 /sec）和高崩潰電場強度（5×106 V-1）等等，使得氮化鋁鎵氮化鎵異質接面極適合用在高頻高功率電子元件的製作上。在計畫中預計在在後續的二年內完成閘極長度0.2 m，功率密度5W/mm操作在14 GHz，大於40% PAE的雙通道AlGaN/InGaN Power H

16、EMT元件。以化學氣相沈積法磊晶機，製作-doping高濃度載子供應層之雙通道HEMT結構；應用乾濕式複合蝕刻技術製作閘極，以離子佈植方式製作隔離層。發展電子束直寫方式製作T型閘極，並配合電漿增強化學氣相沈積系統（PECVD）及電鍍製作空氣橋，製作高功率HEMT元件。以電漿增強化學氣相沈積系統進行鈍化層的研究。最後本計畫亦將經由直流及高頻特性的量測，將磊晶參數，製程條件及元件結構設計最佳化。NSC90-2215-E009-103 (90N528)-計畫名稱：利用等通道轉角擠型法（ECAE）製作次微米晶粒鎂合金之研究研究者：朝春光經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：等通道轉角擠型；超塑性 本實

17、驗係以AZ31鎂合金經ECAE(Route C)後，分別對晶粒細化、常溫機械性質與超塑性進行研究。結果顯示：經ECAE N=6之後，大部分晶粒均被細化，晶粒由原先的12.6mm細化至1.4mm。因細化之效應使得室溫下的UTS由N=0時之251Mpa增加至N=6之350Mpa。高溫超塑性方面，在N=6，4000C 應變速率為10-3s-1，可得最佳伸長量為317%。NSC90-2216-E009-045 (90N422)-計畫名稱：鎂合金之表面改質研究者：朝春光經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：陽極處理; 化成處理本實驗係利用化成處理及陽極處理法改善AZ61鎂合金表面之抗腐蝕性，以化成處理法

18、增加鎂合金基材與陽極處理膜間之附著性，化成處理主要以磷酸為主，再以矽酸溶液封孔；陽極處理液則以非鉻系之鹼金族矽酸溶液為主。在施以外加電壓條件下進行強迫氧化反應。經電化學動態極化曲線及靜態交流阻抗於3.5%NaCl水溶液中測試，可得知反應形成之矽酸鹽氧化膜具有良好之抗腐蝕性。實驗結果顯示鎂合金原材之腐蝕電壓為-1.536V (相對於飽和氯化銀參考電極)，腐蝕電流為1.613 mA/cm2，表面電阻值為204.6 ohm，經表面處理後試片之腐蝕電壓提升為-0.182V，腐蝕電流降低為1.401 mA/cm2，表面電阻增為48724 ohm。以顯微鏡觀察陽極處理表面可得知為多孔狀結構，孔徑約為50

19、mm。成份分析結果顯示陽極氧化膜表面之主要成份為Mg、Al、O、Si及鹼金族元素。以EPMA 量測鈉系列陽極處理膜，厚度約為35 mm，鉀系列陽極處理膜厚約為17 mm。經表面處理後試片之硬度值由鎂合金原材之69.5 HV提升為132.1 HV。NSC90-2216-E009-046 (90N423)-計畫名稱：多層導體連線平坦化之研究電鍍銅之電解拋光技術研究者：馮明憲經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：電解拋光；電鍍銅；化學機械研磨；平坦化；銅導線本計畫的目的是建立銅電解拋光(Copper Electropolishing)的方法應用於半導體後段製程中多層導體連線的製作。包括電鍍銅層(El

20、ectroplating Copper)的平坦化及以電解拋光的方法製作銅導線。技術發展的重點為電鍍銅膜電解拋光液的研發及製程的最佳化參數，以達平坦化及導線可靠度要求。電解拋光在傳統表面處理工業上為一重要的技術。此方法能夠均勻的溶解金屬表面，而得到一平坦且光亮的外層。在電解拋光的過程中，電解拋光液組成及操作參數，皆為影響平坦化能力的關鍵因素。如何開發一有效電解拋光液及添加劑，為電解拋光方法應用在深次微米銅導線製程中，成為全域性平坦化技術的一大挑戰。在深次微米半導體製程中，化學機械研磨技術 (Chemical Mechanical Polishing, CMP) 是目前積極發展全域性平坦化的技術。

21、但化學機械研磨應用於玻璃絕緣膜平坦化及金屬導線製作時，圖形效應(pattern effect)、磨除選擇率(removal selectivity)、金屬導線窪陷現象(dishing effect)、刮痕(scratch)、絕緣膜磨耗現象(oxide erosion)以及化學機械研磨後清潔(post-clean)，都是目前所需克服的關鍵問題。因此，我們可利用電解拋光的技術來增進電鍍銅化學機械研磨的效能。例如：在兩階段(two steps)的銅化學機械研磨過程中，我們可採用電解拋光的技術來替代第一階段(first step)的化學機械研磨，這樣就可以解決目前第一階段化學機械研磨中，研磨漿料(sl

22、urry)所造成銅膜表面刮傷(scratch)的問題，進而增進第二階段化學機械研磨的平坦化效果。在未來我們更可以電解拋光的技術配合無阻障層的低介電質材料(non-barrier low-dielectric materials)取代化學機械研磨製程來完成後段銅導體連線。由於此製程只對金屬銅膜做均勻的溶解，所以，可避免銅層與阻障層磨除選擇率的問題及絕緣膜磨耗現象，並可解決化學機械研磨後清潔的問題，增加線上量產的效能(throughput)。NSC90-2215-E009-062(90N364)-計畫名稱：聚亞醯胺發光材料及發光二極體的特性改進研究研究者：黃華宗經費來源：國家科學委員會關鍵詞：聚亞

23、醯胺;發光二極體;螢光;電激發光有機高分子發光二極體的發光效率，發光強度，發光之安定性，以及發光壽命等特性受許多因素影響，如：發光基團和電洞傳遞基團和電子傳遞基團的化學結構，這些不同功能基團的組合方式，發光材料的物理結構，元件的物理結構及正負電極的選用等等。一般的發光高分子在單層發光二極體中缺乏有效的雙極子的傳輸(bipolar transport)，導致電子與電洞注入不平衡，需要多層結構以改善發光效率。芳香族聚亞醯胺為具有donor-acceptor特性的高分子，如能適當的選用芳香族基團結構，可成為有效的電子和電洞雙重導體，兼具優良發光特性和耐熱性，作為單層發光二極體極材料，本研究室在89年

24、度計畫中研究不同化學結構的芳香族二酸酐和二胺化合物單體，經聚合反應、塗膜、加熱成形。得到不同芳香族結構可發光的聚亞醯胺，研究不同化學結構對材料的電洞傳輸、電子傳輸及發光特性的影響。初步研究發現聚亞醯胺的亞醯胺基為一良好的電子傳輸基團，如果要改進發光效率，就要單體的結構中引入電洞傳輸效果較佳的化學結構或是混摻一些電洞傳輸高分子，以增進電洞傳輸和電子傳輸平衡。在90年度本研究計畫擬在單體結構中引入具電洞傳輸效果的單體或混摻電洞傳輸高分子，以增進聚亞醯胺的電洞傳輸能力，達到電洞傳輸和電子傳輸達到平衡。本研究計畫將使用循環伏安電流計及紫外吸收光譜移來測定各發光材料的氧化-還原電位和HOMO與LUMO間

25、的能帶間隙( band gap )，建立聚亞醯胺的結構和氧化-還原電位與能帶間隙之關係。並使用螢光光譜儀及能量量測儀配合電流-電壓測量儀來研究螢光發光特性及電激發光特性，螢光近場光學顯微鏡來研究混摻高分子的型態結構對發光特性的影響，建立其化學結構對發光特性的相互關係；不同的交流電源也將被用來研究其對發光特性和壽命的影響。本計畫也將研究蒸鍍薄層鋰離子化合物的條件，再接續蒸鍍鋁金屬，以形成Al / LiX陰極，期盼 達到進一步提升材料的發光特性。NSC90-2216-E009-015 (90N105)-計畫名稱：新型低介電係數材料之製備及其性質研究（III）研究者：謝宗雍經費來源：行政院國家科學委

26、員會關鍵詞：介電係數；電氣特性；聚亞胺；交聯網狀結構本計畫延續前兩年對低介電係數材料製備之研究，擬開發具新型結構之低介電係數以供高密度多層構裝基板之製備與應用。所擬之研究可區分為兩部份，第一部份為新型之高分子樹脂，我們選擇聚亞胺(Polyimine)為研究對象，自單體之選擇著手，合成電、熱等性質符合需求材料，並將試驗其應用凝膠製程中之可行性，以製成介電係數約在2的範圍(甚至低於2)的介電絕緣材料。第二部份我們將試驗在高分子基材中直接形成交聯網狀的孔隙結構的可行性，以期能建立一簡單且有效的低介電係數材料製備方法。在兩部份的研究中，除電、熱性質的分析之外，機械性質與結構分析亦將進行之，以對材料的低

27、介電係數性質與結構間的關係有完整的認識，並能更進一步地釐清低介電係數之成因理論。NSC90-2216-E009-033（90N410）-計畫名稱：三元SICN材料場效發射顯示技術之研究（III）研究者：郭正次經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：場效發射顯示器;鑽石薄膜;氮化碳;含矽氮化碳顯示器是電子產業中資訊輸出時最重要的人機界面，而場發射顯示器(FED)與液晶顯示器(LCD)同屬於平版顯示器(FPD)的一環，在設計上能發揮輕、薄、短、小的優點，符合電子用品的時代潮流。 但是，因LCD本身不主動發光顯像，發光效率僅為原外加光源的百分之一，需配合在較昏暗的背景時，才看得較清楚;再者，因LCD發

28、光效率太低而使需使用高功率光源，所衍生的廢熱不易排除，且大大降低了電池的壽命;此外，由於液晶必須透過分子旋轉才有光偏折的成像效應，但是液晶分子旋轉的反應時間長達200微秒，對快速變化的影像不能產生及時的影像，而有影像模糊的缺點。 所以LCD還是無法完全取代陰極射線管(CRT)的市場;換言之，在顯示器的發展歷史上，兼具CRT高亮度、低成本與寬視野和LCD輕、薄、短、小優點的第三世代產品的誕生更顯得急迫與重要。 因為在傳統的場發射顯示器缺乏優秀的場發射材料，倘若能整合科學理論預測與工程合成技術，使得研發的新材料具有場效發射顯示器的應用價值，在人類研究材料的歷史上，是一項很重大的突破且深具挑戰性的事

29、。 在1984年宋健民首先由氮化矽結構類比，預測出一種具共價性鍵結的新材料氮化碳（C3N4）; 後來經Cohen與Liu Cohen 1985, Liu and Cohen 1989 的理論計算，發現其硬度應超過大自然界中最硬的鑽石。此外，其能隙約2.93.85 eV Teter 1996，遠小於鑽石的5.5 eV，具有高溫、高容量之寬能隙半導體元件材料之應用價值。 更令人振奮的是二元氮化碳的發展也刺激出衍生三元含矽氮化碳薄膜材料的發展，而發展此類新的共價性材料所具有的優異性質，被預期將掌控下一世代的前瞻性場發射顯示器未來的發展極限。 本計畫以最基礎性的研發角度，以三年的時間, 從含矽氮化碳的

30、前驅物與新製程原料的角度出發，整合各種先進製程設備，在不同的條件下來合成此類新材料，冀能充分的開發出在此矽、碳、氮三元相圖中各種可能存在的新相，瞭解各種相所能存在的穩定條件，以提昇製程的再現性，為日後的量產技術紮根。 同時，也對相圖中各新相的組成、成分與結構作基礎的材料科學探討，並分析各種新相的基礎光、電方面等場效發射物性，以瞭解各新相的結構與性質間的關係，並研究Si-C-N尖錐陣列及顯示元件的製程技術° 為此新興材料日後的工程各方面應用建立最穩固基石，冀創造另一個前瞻性材料所帶來的顯示器的世紀革命。NSC90-2216-E009-034（90N411） -計畫名稱：共價鍵材料場效發

31、射顯示技術之研究總計畫（III）研究者：郭正次經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：無1. 影像平面顯示技術之背景說明電腦工業的急速發展, 全球產值超過千億美元, 而表現電腦功能的人機界面最主要的是平面顯示器°因此電腦工業和平面顯示器需要同步發展°顯示器的第一代產品, 是利用陰極射線管(cathode ray tube, or CRT)° 它是目前應用最廣的影像顯示方法。CRT顯示技術主要是利用巨大且笨重的高壓電子鎗, 經網罩或稱遮蔽罩(shadow mask), 再照射並激發銀幕上三種不同的紅綠藍螢光劑產生不同程度的顏色混合, 以達到彩色顯示的目的。CRT擁有亮

32、麗的色彩及高解析度的優點。但由於電子鎗縱深太大, 不能製成薄片型顯示器° 因此為了因應近年來輕薄短小及大面積的市場趨勢, 發展其他顯示方法與技術, 是目前學術及工業界努力的目標, 以取代現有的CRT技術, 其中以液晶顯示(liquid crystal display, or LCD)技術具很好的潛力, 它的優點是体積小, 平面及彩色容易, 它的缺點則是視角小, 不易散熱, 且反應較慢, 另外重點是日本在LCD的技術有絕對的優勢, 為了打破LCD市場壟斷的局面, 發展能與LCD相抗衡甚至於取而代之的技術是各先進國家努力的目標, 其中最有希望是場效發射顯示(field emission

33、display, or FED)技術。FED是利用尖端放電的原理, 以微小的尖錐外型結構的”冷陰極”或稱為”場發射陰極”之陣列來取代高壓電子鎗。FED所需要的電壓比CRT電子鎗低很多, 所以產生的熱很少, 所以稱為”冷陰極”。一般用金屬為尖錐材料製作的FED顯示器, 操作電壓約1000 V/mm, 它相對於傳統的CRT約需25000伏特。FED和CRT做比較, 除了操作電壓之外, FED可以對每個影像點做開關的動作, 且不需要電晶体即可做X和Y方向之定位。每一個影像點皆由數個場發射尖端所組成, 即使一個尖端失效, 仍然可以作用, 製作步驟也較少, 具有高解析度, 彈性工作範圍, 不受環境溫度的

34、影響, 可以做得非常平且薄。FED 另外優點是面積大小幾乎不受限制°FED和LCD做比較, LCD具輕薄短小及省電的市場趨勢, 但顯示器並不發光, 而是靠背光源通過以達到顯示的效果。一般LCD必須把光線過濾成同一極化方向, 才能加以控制, 因此絕大部份的光線都被濾掉了, 加上本身材料的吸收, 光線總穿透效率很低。以TFT-LCD為例, 光線總穿透效率 = 背光源效率x偏光片效率x遮光效率x開闢比x濾光片效率 = 20% x 50% x 70% x 50% x 30% = 1% ° CRT幾乎有75%以上的能量消耗在遮蔽罩(shadow mask)上, FED是將電子能量直接

35、轉換成光線, 所以效率較佳, 隨著材料的進步, 預期可以達成20%能量轉換效率。FED將是最省能源的技術。其他顯示技術, 如電激顯示(electro-luminescence display, or ELD)技術和電漿顯示(plasma display phosphorescence, or PDP)技術都在開發中° 圖1是LCD, ELD, PDP和 FED 發光原理比較圖° FED可以應用現代的IC製程技術, 達到体積微小化的目標, 並且可以在矽晶上製造場效發射電子鎗陣列, 所以具矽技術相容性, 可以配合已成熟的電腦控制技術。 另外一方面, 可維持CRT之面板, 而兩板

36、之間的封合對準技術, 可以採用已成熟的LCD設備。FED因此是一個架構於產業基礎之改良性產品, 所以無論從效率, 結構, 成本等方面而言, FED都比CRT與AMLCD佔優勢。2. 場效發射顯示材料場效發射顯示材料往往是決定顯示器功能最大的因素° 因此開發新的材料, 才能夠大幅度的突破技術瓶頸° 場效發射微小尖錐陣列之製造, 早期是以矽晶材料摻雜各種元素為主, 它的優點是尖錐可以應用已經成熟的IC製程製造, 且易達成微小的目標° 但它的主要缺點, 是功率低, 且發射隱定度不理想°這些缺點可以經由其他材料之被覆而得到改善°應用不同材料被覆在矽晶尖

37、錐上, 以改善隱定度, 已有很多研究, 並以金屬被覆佔大部份° 金屬尖錐陣列之FED平面顯示器已接近商業化, 但操作電壓仍然高, 且由於尖端溫度高, 易揮發° 近年來則有許多學者, 擬利用鑽石做為尖錐被覆或尖錐材料°鑽石膜的優點是, 其(111)晶面吸附氫原子後具負電子親合性(亦即有排斥電子的特性, -1 eV ), 且功函數(work function)低, 熱傳係數高(20 W/cm K), 電場崩塌電壓高(107 V/cm), 場效電子發射速率高(2.7x107 cm/s), 等等優點° 二元carbon nitride及三元Si-C-N, 皆是世

38、界上並不存在的新材料。二元carbon nitride是先經由學理上之推測 Baum 1993; Cohen 1993 and 1985; Haller, et al. 1992; Kosky, et al. 1993; Liu and Cohen 1989 and 1990; Liu and Wentzcovitch 1994; Miyamoto, et al. 1994; Ortega and Sankey 1995; Riedel 1994; Schnick 1993; Tersoff and Ruoff 1994; Yao and Ching 1994 認為應具備比鑽石更硬的材料。且具

39、寬能隙半導體, 發藍光等特性(Science, 53, 271, 1996)。三元含矽氮化碳材料亦具寬能隙發藍光特性 (Physical review B, 56, 6498, 1997)，將期能對前瞻性顯示器技術有革命性之發展與突破。除了可以用於:場效發射顯示器之外, 亦可用於發光二極體。合成此新材料一直是先進國家努力的目標。尢其是美、日、德、等國都投入大量的經費做研發工作。3. 耐磨耗高硬度及絕緣性佳材料:C3N4經由M.Cohen經由理論上計算為比diamond硬度更高的材料, 而在材料互刮時驗指出SiCN與c-BN相似的硬度, 亦有文獻報導非晶形SiCN之硬度經由奈米壓痕儀測定介於27

40、-31Gpa. 在電阻率的測試中由於阻抗過高為電之絕緣性材料(>20 MW).4. 整合之必要性：本計畫主要目標, 是開發場效發射尖錐陣列新材料及其製程技術, 以被看好之共價鍵材料(covalent materials)為初期對象, 包括類鑽石(diamond-like carbon), 氮化碳(carbon nitride),矽氮化碳(silicon carbon nitride)。整個整合計畫的架構如表1所示。分工如下: 總計畫： 共價鍵材料場效發射顯示技術之研究。 總主持人：郭正次 教授（交大材料系） 子計畫一：三元Si-C-N材料場效發射顯示技術之研究。 主持人： 郭正次 教授（

41、交大材料系） 子計畫二： 二元C-N材料場效發射顯示技術之研究， 主持人：林啟瑞 副教授（北科大機械系） 子計畫三：高功效鑽石場效發射顯示器元件之製作與特性分析。 主持人：陳家富 教授（交大材料系） 從表1可以了解整合之必要性。 場發射顯示器具有低成本、高亮度與兼具輕、薄、短、小的優點，是下一個世代的顯示器主流;而以碳為基礎的材料如鑽石、類鑽、C-N與Si-C-N更是未來場發射顯示器裡所需最具前瞻性的新材料。 為了有系統的開發出最佳的場效發射顯示器，三子計畫分別從現有的鑽石與類鑽場效發射材料研發，更同時分別從新興具更佳場效發射效果的Si-C-N與C-N材料研發，以最基礎場效發射顯示器的材料開發

42、觀點，架構出最完整的場效發射顯示器發展計畫，加速創造新世代的顯示器革新。5. 人力配合度：就專業能力角度分析，陳教授在鑽石的場效發射材料、場效發射機制與場效發射顯示技術上已有四年之研究經驗，在大面積鑽石成長上也有專利的發表;林教授在鑽石的微波輔助化學氣相沉積技術有豐富的經驗與多篇的研究論文發表;而總主持人郭教授不僅在鑽石、類鑽的各種合成技術上有豐富的技術與獨到的見解，更在新的場效發射材料如C-N與Si-C-N等的開發上，有五年多的經驗與技術背景，目前有關C-N新材料已有七篇的論文發表在國際知名期刊上。 且本計畫各主持人間有多年的同事與合作關係，能發揮最佳的團對研究能力。6. 資源之整合及單位之

43、配合： 各子計畫分別用不同的製程製造不同新材料, 但共同使用I-V量測設備。此設備由交大材料系支援部份經費, 除計畫用之外, 亦提供材料系其他教授使用。交大是國內光、電元件的發展重鎮，有國家毫微米實驗室的各項先進設備支持，加上本計畫主持人原有的場效發射顯示器材料合成技術與經驗，能最有效的整合各項資源，以最經濟的資源開發出最好的場效發射顯示器。7. 預期綜合效益:預期可以跟世界同步, 將目前學術上認為最具潛力的三種新材料(鑽石, C-N, Si-C-N)之場效發射特性有更深的認識。發展最先進的場效發射顯示器, 提高國內的技術水平。NSC90-2216-E009-035 (90N412) -計畫名

44、稱：碳基發藍至紫外光新材料之奈米結構合成技術及性質分析研究者：郭正次經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：奈米技術；奈米結構；奈米管；奈米線；Si-C-N 材料材料之奈米結構，例如奈米管、奈米線、奈米棒和奈米粒，是學術上和技術上相當有興趣的課題。它將提供分子與固態物理之間的串聯，它並擁有跟相同材質之体材相當不同的性質，它並且有傳統製造方法所可能達到更高之元件密度之潛力。奈米結構之例子包括具半導體性質之奈米碳管(carbon nanotubes)，約數佰奈米長，它已經成功地被用以製造場效電晶体(field-effect transistor)。更小的元件也可以連接兩支奈米管或奈米線而達成，例如金

45、屬-半導體之接點，以單壁奈米碳管製造其接觸面積約只有 1 nm2 Hu,et al. 1999. 倘若能整合科學理論預測與工程合成技術，使得研發的新材料具有優異的性質，在人類研究材料的歷史上，對材料學者而言是一項很重大的突破且深具挑戰性的事。 在1984年宋健民首先由氮化矽結構類比，預測出一種具共價性鍵結的新材料氮化碳（C3N4）; 後來經Cohen與Liu Cohen 1985, Liu and Cohen 1989 的理論計算，發現其硬度應超過大自然界中最硬的鑽石。此外，其能隙約2.93.85 eV Teter 1996，遠小於鑽石的5.5 eV，具有高溫、高容量之寬能隙半導體元件材料之應

46、用價值。 更令人振奮的是二元氮化碳的發展也刺激出衍生三元含矽氮化碳薄膜材料的發展，而發展此類新的共價性材料所具有的優異性質，再配合最近發展的奈米製造技術，被預期將掌控下一世代具前瞻性場發射顯示性質及光電特性元件之未來發展極限。有關奈米製造技術，今天，一些次微米微影技術(lithography)配合其他不同的製造方法，如MBE 和MOCVD己經常用以製造量子元件(quantum devices)使具新優異特性。然而， 在一維和零維結構方面，這些已有的微影技術似乎已接近它們的技術和經濟的極限，當各別結構單位落在10 100 nm範圍內時，棈準製造一維和零維結構之成本變得很高。因此，本計畫以最基礎性

47、的研發角度，以三年的時間，來開發新的奈米製程、建立奈米結構及其成份的分析技術、量測其光電性質、並發展可能的應用。初期擬針對本研究室發展的三元Si-C-N材料為對象，此種材料証實具高亮度發藍光特性之候選材料，研究其奈米製造技術。冀能充分的開發出在此矽、碳、氮三元相圖中各種可能存在的新相，瞭解各種相所能存在的穩定條件，以建立三元Si-C-N 相圖。 同時，也對相圖中各新相的組成、成分與結構作基礎的材料科學探討，並分析各種新相的基礎光、電特性包括場效發射物性等。NSC90-2216-E009-040 (90N417) -計畫名稱：奈米碳管幾何結構分析及特性測試基礎研究研究者：郭正次、張惠林、許智明

48、經費來源：工業技術研究院關鍵詞：奈米碳管；幾何結構；場發射奈米碳管應用於場發射顯示器(Field emission display)之場發射源(Field emitter) 已有許多研究證實其可行性，目前最大的問題在於還沒有開發出可以低成本大量生產高品質奈米碳管的製備方法。本研究即希望藉分析由工研院自製和進口之不同製程合成的奈米碳管的幾何結構與場發射特性，來瞭解其幾何結構與場發射特性的關係。奈米碳管幾何結構之分析將以掃瞄式電子顯微鏡（SEM），穿透式電子顯微鏡（TEM），及高解析度穿透式電子顯微鏡（HRTEM）來觀察其微觀形貌、尺寸、缺陷型態、晶種分佈、管壁層數、層間距離及原子排列方式等等，並

49、輔以拉曼光譜來分析其sp2與sp3鍵結分布之情形。場發射特性則以I-V量測儀，測量各種奈米碳管在真空下之場發射性能與壽命。經由這些幾何結構之分析與基礎資料建立，進而瞭解奈米碳管之成長機制以及反應在光、電等特性上的變化，並進而找出最適合製作場發射顯示器之奈米碳管結構與製造方法。C90098（）-計畫名稱：運用光電技術於工程監控技術人才培育計畫（1/3）研究者：劉增豐經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：無光電產業是技術密集與資本密集競爭激烈之產業，產品不斷推陳出新，全球各國都投入大量人力、財力、開發新材料、新技術與技術能力，提昇產品功能，保持永續經營，2000年我國光電產業值高達4480億元，比

50、前一年成長68。產業大幅成長，雖然全球不景氣，但這方面人才需求更為殷切，因此光電人才培訓是一項刻不容緩的工作。比起全球光電產業2096億美元（2000年），我國產值尚不及全球的7%，故未來仍有極大成長空間，新型的技術不斷的被導入，且光電產業規模亦大幅成長，人才需求將更為迫切。交通大學擁有的光電技術元件相關課程與光電技術相關實驗室之設備在全國均首屈一指，具有光電元件技術的研究基礎。並獲得教育部肯定，現資助卓越研究計畫從事光電元件及相關研究，同時也獲得美國的光纖通訊公司及台揚科技資助550萬美元（約合台幣一億八千萬元），從事光纖通訊相關的研究。本校在光電元件相關領域成果豐碩，為配合國家加強大學新興

51、科技人才培訓之政策理念，因此交通大學乃整合本校工學院材料系、機械系、土木系與環工所提出本校整合型研究計畫構想: 運用光電技術於工程監控技術人才培訓計畫，運用各系已有的資源並加強橫向與縱向的整合以提升大學光電工程教育，培養優質的光電工程人才，為光電產業注入美好訓練的新血輪。本研究計畫對光電材料之基本結構與基礎原理特別加強，並將對光電材料及元件的特性加以分析如何應用於機械、土木、環工等工程領域中，在本計畫中，材料系將新開有機光電材料課程，並在材料工程實驗中增強光電材料實驗教學；機械系將提昇電腦整合設計與製造及電腦輔助機構設計於光電信號處理、製程監測、光電元件與網路儀器技術與機械視覺應用處理的能力；

52、土木系新開光纖感應原理及應用於土木工程監測及光纖量測實驗課程；環工所將光纖膠羽偵測原理應用於混凝過濾技術計畫執行中。學生將可學到許多光電原理，使光電原理落實於實際應用中。於人材培育，教育教學有相乘效果。NSC90-2511-S009-010（90N568）-計畫名稱：鐵鋁錳(鎳)碳合金相變化研究者：劉增豐經費來源：行政院國家科學委員會關鍵詞：鐵鋁錳碳合金；相變化；史賓諾多分解反應；連續規律化相變態； L¢12 相；DO3相；-Mn；L-相本計畫的主要目的有：【一】探討鋁、錳和碳合金元素含量的改變對鐵鋁錳碳合金顯微組織的影響。【二】研究矽元素的添加對鐵鋁錳碳合金顯微組織的影響。【三】探

53、討鎳元素的添加對鐵鋁錳碳合金顯微組織的影響。【四】研究鈦、鈮和釩等合金元素的添加對鐵鋁錳碳合金顯微組織的影響。在過去的研究中，我們除了開發鐵鋁錳熱軋合金鋼板專利已獲中華民國、韓國、日本、加拿大、美國、法國、英國和德國專利以外，在相變化研究上亦有幾項重要發現：【一】在研究具有完全沃斯田鐵結構的鐵鋁錳碳合金中，結果顯示：鐵-8.0鋁-31.5錳-1.05碳合金在550時效時,其晶界相分解反應為+；而鐵-7.8鋁-31.7錳-0.54碳合金在550時效時，其晶界相分解反應為+-Mn。此兩個相分解反應和其他學者在完全沃斯田鐵的鐵鋁錳碳合金中所研究的結果截然不同。此外，在較高溫度時效時，在晶界將有一複雜相產生(此相結構目前尚未解決)。因此，本計畫將一系列深入研究鋁含量介於5%-13%、錳含量介於10%-40%、碳含量介於0.5%-2.5%之鐵鋁錳碳合金的相變化。我們在研究鐵-9.0鋁-30.5錳-1.36碳和鐵-9.0鋁-31.2錳-2.0碳合金時發現，其合金在淬火狀態下，基地即有structural modulation現象，且有細微的(Fe,Mn)3AlCx碳