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奈米化合物半導體元件在照明設備與無線通訊之應用

   奈米化合物半導體元件在照明設備與無線通訊之應用

電子系 邱顯欽助理教授 

近年來由於高效率照明設備,平面顯示器,與無線通訊之蓬勃發展,化合物半導體之相關科技,早已被列入國家科學技術發展中之八大重點科技及八項關鍵性技術之一。雖然,光電產業持續增長,在總產值尚不能與傳統矽半導體相關產業相比,但其成長率卻高於半導體產業。1997年我國在化合物光電產業的成長率為 41%,而國內整體經濟成長率卻僅為 6.5%,可見其成長之快速,且可預期其將為21世紀的明星產業。另一方面,在電子產業中,奈米級 ( Nanometer scale ) 半導體製造技術,因能同時達到元件微小化及積體化之優勢 等之革命性的進展,進而使其產品產值效能大幅增加。綜合以上科技之發展趨勢,奈米等級之光電元件發展,實在是刻不容緩。過去的一年半內,電子系在張連璧主任 領導及學校與工學院之強力支持下,化合物半導體研究群,已經成功建立一條化合物半導體製程線。其元件製程包含前段磊晶,中段製程曝光,蝕刻,鍍膜,後段封裝打線,以及元件特性量測,都由學生在學校內之實驗室完成 ,其成果與實驗室規模已經迎頭趕上交大,中央,成大等化合物半導體相關研究群。

氮化鎵磊晶技術

在前段晶圓磊晶方面,本校之化合物半導體磊晶實驗室於2004年底建置完成,並於2005年初開始運作,並配合本校化合物半導體研究群,進行各項光電方面之創新研究與技術研發。目前安裝有兩部大陽日本酸素之有機金屬氣相磊晶系統 ( Metal-Organic Vapor Phase EpitaxyMOVPE。如圖一所示 ),並致力於以氮化鎵化合物半導體材料為主之藍光/紫外光光電元件磊晶研究。

▲ 圖一、化合物半導體磊晶實驗室之兩部有機金屬氣相磊晶系統 

此實驗室目前之研究主題,為在藍寶石 ( sapphire ) 基板利用乾蝕刻 ( dry etching ) 方式,將基板表面圖案化 ( patterned ) 後,再進行後續之氮化鎵材料磊晶製程,以降低材料內部動作層之缺陷密度,提升元件發光效率;另同時因光子經由圖案化基底反射,增加元件出光效率 ( extraction efficiency );並進一步利用圖案化技術基板,進行完整藍光發光二極體 ( light- emitting- diodeLED ) 元件製作。目前本實驗室與南亞光電公司進行之建教合作計畫中,已經成功將圖案化技術應用在發光二極體元件上 ( 如圖二所示 ),並證實應用此技術所製造之藍光波段 ( 460 nm ) 發光二極體與傳統之發光元件比較,其發光亮度提升 38%

圖二、化合物半導體磊晶實驗室製作之發光二極體 

化合物半導體製程技術

  中段元件製程部分,目前化合物半導體無塵室內,包含有高瓦數電漿蝕刻機,曝光機,電子束蒸鍍機,高溫退火爐管,銅金錫電鍍機,晶圓切割機等半導體設備 ,提供三十餘位研究生,實驗技術開發與相關教學用途 ( 圖三 )。也成功研製出本校第一顆高崩潰電壓氮化鎵場效應電晶體 ( High Power GaN Field-Effect Transistor,圖四 ) 以及第一顆毫米波濾波器 ( K and Ka Band Filter,圖五 ),已經成功將本校無線通訊研究範圍拓展至 30GHz。其通訊頻率較一般手機使用之頻段高上十六倍之多,且相關成果完全在學校內自行開發研製,不需委外製作,這些成果也是建立在化合物半導體研究群之資源共享與製程分工的理念上。

▲ 圖三 化合物半導體無塵室 

 ▲ 圖四 氮化鎵高功率場效應電晶體

▲ 圖五K以及Ka頻段濾波器

晶封裝技術

  後段晶粒部分封裝製程部分,由於光電及通訊 IC構裝技術朝向輕薄短小的趨勢演進。應用於 Ⅲ-Ⅴ族通訊光電產品或通訊類比 IC 的主流構裝製程,所使用的晶片厚度已要求磨薄至 50μm 以下。其中薄型晶片精密取放技術即為重要核心技術,覆晶Flip-Chip技術具有導電性佳、散熱快及封裝尺寸縮小等優點,而廣泛應用於高功率產品的封裝製程。熱超音波覆晶黏晶技術,是運用超音波能量進行晶片與基板之間接點的熔接,其具有快速、低溫熔接、輕黏晶置放力以及不需助焊劑等製程優勢,至今已成功應用於各式光電與通訊產品。本研究群與南亞光電之產學合作案中,成功的在本系工學院電子系化合物實驗室/高速元件實驗室研製之散熱基板上,封裝上南亞光電之大功率藍光發光二極體,使其成為 Flip-Chip LED。子基板分成三種有藍寶石基板, SiO2/Si 基板,或是 HfO2/Si 基板。此三種 Flip-Chip LED 均有不錯的接合能力,拉力測試約為 350 g,大於原先之規格 200 g,且不影響原本的 Vf 值,其小電流下與正常電流下操作工作發光如圖六、圖七所示。

▲ 圖六 小電流操作之覆晶式LED   ▲ 圖七 正常電流操作之覆晶式LED 

  半導體照明設備與無線通訊晶片等相關技術,在未來皆具有相當產業潛力與市場;而長庚化合物半導體團隊擁有完整之磊晶、製程及量測設備與師資研究團隊,配合學校與企業全力協助下,未來也將規劃奈米電子束製程設備以及高速覆晶封裝設備,並朝著奈米高敏感度蛋白質感應晶片與相關生物晶片之開發挺進。          

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