Research Projects at NanoClub
研究項目(Research Topics)
1. 在一基板上形成單晶薄膜材料之研究
單晶薄膜可以表現出材料的特質。若將兩不同材質之單晶結合在一起，且保持其各自單晶結構，就能將兩者特質結合在一起，形成一個全新的材料。更進一步，單晶薄膜 方面的厚度若做到奈米尺度，可以呈現令人驚訝的性質，而使這新材料發揮一些特殊功能。合成這個新材料，在技術上的挑戰，主要有三方面：如何將兩個性質相異的材料結合在一起？ 結合後，如何維持雙方單晶結構？特別是在一方只有數個原子的厚度。如何形成一大面積、高度均勻的奈米尺度厚的單晶薄膜？
我們的創新處：以智切法 (Smart-Cut) 技術為藍圖，以實驗步驟實踐我們獨特設計之晶格常數變化，促成離子異質成核反應，降低活化能，便可突破以上的限制。
2. 氮化鎵材料長晶製作研究
單晶氮化鎵塊體基板 (Bulk Gallium Nitride Substrate)是夢幻材料。此材料不但是作為藍光雷射的最佳材料，也是高功率、高頻率電子元件製作的基板材料，這也是尖端高科技領域中，航太系統方面的需求 ，例如人造衛星的通訊系統、航艦上的導航系統、雷達預警機的雷達系統等等。以往，需要用極高壓、高溫環境之下，例如著名波蘭科學研究院的高壓中心利用此法成功合成約 1" 直徑單晶基板材料。美國 Bulk GaN 材料重要發展中心有聖塔芭芭拉加州大學(Univ. California - Santa Barbara)、北卡羅來納州州立大學(North Carolina State Univ.)和壬色列理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute) 。製作這個新材料，最大挑戰 主要在於如何取得合適的晶種基板來生長此類材料。
我們的創新處：已發展兩種方法製作 GaN。使用原理：原子鍵結形成晶體結構，直接影響固態物質的原子排列，如同原子的 DNA。(一) 應用 free-standing 機制概念，使用 NanoClub 發展出來的奈米薄膜轉移製程，在與 GaN 熱膨脹係數相近基板( 如 Mullite: 3Al2O32SiO2 or 2Al2O3 SiO2 ) 上將一性質與GaN相近材料 "DNA" 薄膜置放該基板上，以隔絕 Mullite 的 "DNA" 干擾，透過 HVPE 製程形成一生長基板。(二) 使用 Ion-Cut 中的 blistering window，造成 free-standing 薄膜，移去基板原質的 "DNA"，再經過 HVPE 製程形成一生長基板。
研究進度：申請專利且相關之 Mullite 基板已備製中。2010 預定由 MOCVD 試車，再由 HVPE 試產。
[ 以 DNA 複製羊概念生長 GaN 晶體；參考圖摘自科學月刊三十卷第十期 ]
3. 高效率矽基太陽能電池研究
單晶矽薄膜有較佳的光電子轉換效率及低電子-電洞結合損耗，也有較佳的電子飄移速率。但其對陽光吸收效率竟不及非晶矽。如要提升矽基的發電效率，需要在合成元件動腦筋，因為矽為間接能隙材料，遠不如三五族直接能隙材料效率高。但畢竟矽元素比其他元素如砷、磷等毒性少了許多，不論在環保及製作成本方面，矽在此有絕對競爭優勢。
我們的創新處：使用奈米晶粒 (Nano crystal)概念，以NanoClub發展出來之獨特製程，在單晶矽基板內形成有規則性的奈米晶粒格，大幅提高吸收效率，使光電轉換效率因而提升( 效率目標 > 24% )。
[ 參考圖摘自 "23.5% の高変換効率単結晶Si 太陽電池" 一文 ]
4. 半導體製程：晶圓鍵合科學與技術研究
氮基低溫相異材質晶圓鍵合相當困難，因為氮基為飽和鍵，難以與其他晶圓表面形成鍵結。但該技術隨著氮基半導體基材在光電及通訊元件在的應用越來越多，使得此技術益形重要。
我們的創新處：發展氮基低溫相異材質晶圓鍵合技術，並對其科學原理做一有系統之整理探討。
[ 參考論文：Min Dai et. al., Nitrogen interaction with hydrogen-terminated silicon surfaces at the atomic scale, Nature Materials 8, 825 - 830 (2009) ]
進行之研究 (Current Research)
1. 單晶矽薄膜轉移研究 (Single Crystal Silicon Layer Transfer)
(Silicon Layer Transfer From Silicon on Sapphire Substrate)
研究內容: 以 CVD 製作藍寶石上低缺陷單晶矽薄膜結，然後將此薄膜離轉移至 一應用基板上。
Description: Growing a single crystal silicon film on a r-cut sapphire by CVD and then separating and transferring this film onto an applied substrate with a lift-off approach.
學術研究進度：取得相關研究關鍵材料，預期在 2010-2013 年取得研究結果，2012年製作矽基薄膜太陽能電池 ，測試以此法獲得之矽薄膜太陽能電池效率。
未來展望：此技術可因藍寶石堅硬性質，能當作模版用 CVD 鍍單晶矽膜一再重複使用，得以降低成本，製作高效率 (目標：η > 18 %) 單晶矽薄膜型太陽能電池，是此類產品生產技術之一大突破。
2. 旋壓式單晶矽薄膜研究(Spin-on Single Crystal Silicon Film)
研究內容: 以化學溶液矽基材料以 Spin-on 製作單晶矽薄膜，以取代昂貴之磊晶製程。
學術研究進度：2010 ~ 2011年進行研發評估。
3. 熱力微波智切法研究 (Thermal-Microwave Cut Process)
研究內容：以熱力 - 微波大幅降低活化能，並解決純微波面對大面積照射產生之不均勻性，使智切法能於低溫之下將矽薄膜轉移至另一基板上。
學術研究進度：2005年已取得成功的研究結果，發表於 MRS 材料研究學會國際會議上。
創新能力較勁：美國柏克萊加州大學 (UC Berkeley) 研究小組於 2005年發表以純微波方式製作 SOI (Appl. Phys. Letts. 87, 224103 2005)；其實本研究李天錫老師已在 2002年於美國 IEEE SOI 國際會議上發表 (Nova-Cut Process: Fabrication of Silicon Insulator Materials, Proc. IEEE International SOI Conference, 189 (2002)，同年十一月並取得美國專利 (US Patent 6,486,008)。
技術推展：此技術之中國相關專利已取得，正在授權瀋陽硅基科技有限公司 (中華人民共和國，瀋陽) 生產矽晶圓相關材料及 SOI 晶圓材料。
4. 半導體製程：矽晶表面化學拋光研究
研究內容：發展無機械力拋光之電壓差化學拋光技術。此技術最大競爭優勢在於可以避免任何殘料應力在拋光過程中產生。
學術研究進度：2008年已取得成功的研究結果。
技術推展：此技術已申請專利，並轉讓中國砂輪公司 (中華民國，新竹) 生產矽晶及 SOI相關晶圓材料。
未來發展：施加電壓差促成氧化還原化學反應對表面平坦度及粗糙度的影響。(預定2010年完成實驗初步設置)
(左圖為由智切法，Smart-Cut process，剛切下之矽晶薄膜，上層仍存有損傷層；右圖為經由化學拋光方式移除損傷層後的光滑表面)
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