如何寫好報告 - 中研院物理研究所
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一 、 半 導 體 介 紹<br />
二 、 如 何 寫 好 報 告<br />
金 書 正<br />
• 台 大 光 電 所 2005<br />
• 中 央 研 究 院 物 理 研 究 所 2005−2010<br />
– 高 中 生 科 學 培 訓 計 畫 2007−2011<br />
• 台 灣 積 體 電 路 製 造 股 份 有 限 公 司<br />
2010−present
大 綱<br />
• 半 導 體 介 紹<br />
– 構 成 半 導 體 電 路 的 半 導 體 元 件<br />
– 發 光 二 極 體<br />
• 如 何 寫 好 報 告 ?<br />
– 以 過 去 學 長 姐 的 報 告 為 例
半 導 體 介 紹<br />
Silicon-Based Semiconductor
半 導 體 基 本 上 都 是 晶 體 結 構 , 那 什 麼<br />
是 晶 體 呢 ?<br />
原 子 一 顆 一 顆 很 有 秩 序 地 排 列 在 一 起<br />
先 不 用 管 晶 體 的 嚴 謹 定 義
當 原 子 排 列 形 成 晶 體 時 會 發 生 什 麼 事 ?<br />
先 複 習 一 次 原 子 結 構<br />
銅 的 能 帶 結 構<br />
想 像 電 子 在 倒 置 空 間 中 的 能 量 分 佈
半 導 體 的 定 義 ?<br />
• 能 隙 (band gap) 的 大 小 是 否 有 清 楚 定 義 ?<br />
• 費 米 能 階 Fermi level
最 常 見 的 半 導 體 — 矽<br />
• 矽 與 碳 同 屬 於 週 期 表 同 一 族<br />
• 矽 的 晶 體 結 構 為 鑽 石 結 構<br />
• 矽 為 地 殼 中 含 量 最 豐 富 的 元 素<br />
– 為 什 麼 不 是 利 用 地 球 含 量 最 豐 富 的 元 素 ?
純 矽 的 電 阻 好 像 還 是 太 高 了 , 有 什 麼<br />
辦 法 可 以 降 低 矽 的 電 阻 ?
參 雜 doping<br />
N 型 參 雜<br />
N-type doping<br />
P 型 參 雜<br />
P-type doping<br />
N: negative<br />
P: positive
實 際 上 我 們 要 怎 樣 把 原 子 參 雜 到 矽 晶<br />
體 中 ? 離 子 佈 植 implantation<br />
離 子 佈 植<br />
我 們 要 哪 一 種 ? 其 它 不 要 的<br />
怎 麼 辦 ? 熱 退 火 annealing
說 了 那 麼 多 , 為 什 麼 非 要 半 導 體 不 可 ?
積 體 電 路 IC Integrated Circuit<br />
一 定 要 用 到 三 極 體 的 形 式
三 極 體 的 特 點 是 什 麼 ?<br />
要 具 有 放 大 功 能
現 在 最 常 用 的 三 極 體<br />
金 屬 - 氧 化 物 - 半 導 體 場 效 電 晶 體<br />
Metal-oxide-semiconductor field effect transistor<br />
MOSFET MOS
半 導 體 介 紹 — 發 光 二 極 體<br />
Light-emission diode
發 光 二 極 體 工 作 原 理<br />
LED 結 構<br />
LED display
Why GaN-Based LED?<br />
Vegard’s law<br />
for In x Ga 1-x N<br />
Eg InGaN = xEg InN + (1-x)Eg GaN<br />
a InGaN = xa InN + (1-x)a GaN<br />
Since Nakamura at Nichia invented blue LEDs from InGaN in 1993, fullcolor<br />
LEDs have been achieved. With high luminous efficiency (70%)<br />
and long lifetime over 10 5 hours, InGaN-related LEDs have been<br />
meteoric for 15 years.
Composition Fluctuation<br />
CB<br />
E<br />
CB<br />
electron<br />
Space<br />
hole<br />
VB<br />
VB<br />
Density of states<br />
• InGaN is thermodynamically unstable.<br />
• Inhomogeneous distribution results in local potential minima.<br />
• Trapping electrons and holes in the local regions can increase the<br />
probability of radiative recombination.<br />
• Sharp fluctuation leads to indium-rich clusters.
Barrier: GaN<br />
Well: InGaN<br />
Indium-rich clusters can be<br />
applied to self-organized<br />
quantum dot (QD) formation.<br />
3D quantum<br />
confinement may not<br />
happen because of<br />
defects, band filling, etc.
Cathodoluminescence (CL)<br />
Evidence of quantum dots<br />
• The bright spots<br />
correspond to the indiumrich<br />
clusters.<br />
• It can be regarded as a QDlike<br />
structure, in which<br />
much electron transition<br />
happens.<br />
• Clustering dominates<br />
photon-emission<br />
mechanism and leads to<br />
high efficiency.<br />
• Cluster formation comes<br />
from spinodal<br />
decomposition.
Sample Structures<br />
5×InGaN/GaN QWs<br />
Growth conditions<br />
MQW25 Wells and barriers grown at 715℃<br />
n-GaN 2.48μm<br />
MQW27 Wells and barriers grown at 700℃<br />
MQW28 Wells and barriers grown at 685℃<br />
Al 2 O 3 (0001)<br />
MQW29<br />
Wells grown at 685℃, barriers<br />
grown at 800℃, with H 2 flow added<br />
in growing barriers<br />
Nucleation layer: 20nm<br />
(amorphous)<br />
Carrier gas: N 2<br />
Precursors: (C 2 H 5 ) 3 Ga and (CH 3 ) 3 In<br />
Growth temperatures<br />
Nucleation layer:<br />
530℃<br />
n-GaN: 1070℃<br />
Thickness<br />
Barrier: 15 nm<br />
Well: 3.5 nm
High-Resolution Transmission Electron<br />
Microscopy (HRTEM)<br />
MQW25 (715℃)<br />
We can observe several indium clusters in nm size in InGaN layers.<br />
Note that typical growth temperature of GaN is 800℃.
MQW28 (685℃)<br />
A broken QW structure due to strain release was found, which was shown<br />
above.<br />
Stronger indium aggregation can be seen. However, we cannot compare<br />
the aggregation quantitatively.
Introduction to ZnO<br />
White LED backlighting<br />
• With the large exciton binding energy of 60 meV, excitonic<br />
lasing can be achieved up to 550K.<br />
• ZnO belongs to space group of P6 3 mc, which is the same as<br />
GaN.<br />
• Various nanostructures of ZnO include nanodots, nanowires,<br />
nanorods, nanowalls, nanotubes, etc.
Quasi-Structure Transformation<br />
m1297 (450℃) m1298 (200℃~450℃) m1299 (200℃)<br />
The high-temperature grown ZnO is rod-like, whereas the low-tempature<br />
grown ZnO is thin-film-like. m1298 has both the thin-film-like and rod-like<br />
structure. Thin film is the most convenient structure in device fabrication.
我 本 身 在 中 研 院 做 的 一 些 成 果
原 子 力 顯 微 術<br />
Atomic Force Microscopy (AFM)
Why carbon nanotube improves<br />
resolution?<br />
奈 米 碳 管
怎 樣 做 奈 米 碳 管 探 針 ?
如 何 精 鍊 奈 米 碳 管 探 針 的 品 質 ?
解 析 度 Resolution<br />
針 沒 有 辦 法 掃 到 比 他 尖 端 更 精 細 的 東 西
Two-Dimensional Dopant Profiling
微 機 電 系 統 Micro-Electro-Mechanical<br />
System (MEMs)<br />
東 西 愈 做 愈 小 , 要 怎 樣 在 很 小 的 機 構 裡 面 做 潤 滑 ?
30 μm<br />
修 整 過 的 懸 臂 探 針
表 面 形 貌 量 測<br />
4 Å<br />
3 Å<br />
2 Å<br />
0<br />
0<br />
400 nm<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0
實 驗 機 制
接 近 原 子 解 析 度 的 影 像<br />
凡 得 瓦 爾 力 Van der Waals force<br />
垂 直 表 面 的 作 用 力 平 行 表 面 的 作 用 力<br />
400 pN<br />
–400 pN
超 潤 滑 Superlubricity
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