材料系研究團隊光電材料重大突破獲選國際知名期刊Nanotechnology年度傑出研究

材料系陳敏璋教授的研究團隊在光電材料已有重大突破，他的研究團隊在“高效率異質結構矽發光二極體重大突破研究”被國際知名期刊Nanotechnology選為傑出研究。

矽是一種非直接能帶(indirect bandgap)半導體，因此發光效率非常低。然而，材料系研究團隊使奈米矽晶作光電材料已有重大突破。材料系陳敏璋教授與楊哲人教授所領導的研究團隊利用n型氧化鋅/二氧化矽-矽奈米晶體-二氧化矽/p型矽基板(n-ZnO/SiO2-Si nanocrystals-SiO2/p-Si)之異質結構，成功製作出高效率矽發光二極體。此研究成果已經發表在知名期刊Nanotechnology上，並被國際知名之奈米科技網站nanotechweb.org選為highlighted article，報導於該網站上。此成果可應用在未來積體電路中光學連接(optical interconnection)所需的高效率矽發光二極體。矽發光二極體圖片說明如下：

研究團隊利用低壓化學氣相沉積 (Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD) 技術在p型矽基板上成長矽奈米晶體，接著使用熱氧化(thermal oxidation)的方法，將矽奈米晶體嵌埋在二氧化矽層當中。而後再利用原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)技術，製作高品質之n型氧化鋅薄膜作為透明導電層、電子注入層、以及可提高光取出效率的抗反射層。ALD技術為現今先進的奈米薄膜沉積技術之一，具有原子等級控制材料的形成、精準控制薄膜的厚度與成分、優異的均勻度、優異的三維包覆度、低缺陷密度、具有大面積與批次型量產能力，以及薄膜沈積溫度較低等優點。從圖(a)的高解析度穿透式電子顯微鏡(High-Resolution Transmission Electron Microscope, HRTEM)的照片中，可清楚看出矽奈米晶體嵌埋在二氧化矽裡的情形，矽奈米晶體的直徑約為24奈米，二氧化矽層的厚度約為9.2奈米。電子與電洞分別由n型氧化鋅薄膜與p型矽基板藉由穿隧(tunneling)效應通過二氧化矽層進入矽奈米晶體。由於電子電洞對被侷限在矽奈米晶體狹小的空間當中，以及二氧化矽對矽奈米晶體表面缺陷的修補作用，因此電子電洞對發生發光結合(radiative recombination)的機率大增，再加上透明氧化鋅薄膜扮演抗反射層的角色，因而大幅提升矽發光二極體的發光效率。

圖(b)顯示在室溫下矽發光二極體的發光頻譜，發光波長位於1140奈米，十分接近矽半導體的能隙(bandgap)能量，對應到聲子輔助非直接電子電洞對結合(phonon-assisted indirect carrier recombination)的物理機制。圖(c)顯示在室溫下元件注入不同的直流電流，所量測到的發光功率。此矽發光二極體的外部量子效率(external quantum efficiency)高達4.3×10–4，是沒有奈米結構的矽基板(bulk Si)所能達到的效率的100倍，內部量子效率(internal quantum efficiency)推測約為10–3，完全打破非直接能帶半導體所造成的限制。另外值得ㄧ提的是，此元件的製程和結構，完全與目前超大型積體電路的技術相容，可直接整合在目前的積體電路當中。此研究成果未來可應用在積體電路中光學連接(optical interconnection)以及光電積體電路(photonic integrated circuits)所需的高效率矽發光二極體。

圖請參考校訊