隨著奈米元件在多項領域裡不斷被預期能大幅提升效率，

奈米相關研究在學術界裡扮演的角色也越趨重要，

然而衍生的理論皆與傳統的元件物理大相逕庭，

要在奈米科技世代裡嶄露頭角勢必要提前布局。

刊頭

半導體製程持續縮小，2014年開始邁入20nm，2015年將持續微縮至16nm，未來進入10nm以下（真正奈米等級）製程世代是可預期的，而Apple和Samsung陸續提出奈米科技應用於行動裝置顯示器的概念，兩公司大膽且積極地佈局，等同替奈米科技勾勒出未來的應用藍圖。反觀，台廠是否已經注意到奈米科技的潛力與重要性了呢？

圖一 : Apple和Samsung陸續提出奈米科技應用於行動裝置顯示器的概念，等同替奈米科技勾勒出未來的應用藍圖。 圖片來源：IntoMobile

奈米科技簡介

從電晶體的演進過程觀察奈米科技

回顧Intel電晶體製程技術演進過程，電晶體線寬已由2003年90 nm演進至2011年22 nm。每兩年，單位面積內電晶體數量倍增，正符合1965年Gordon E. Moore提出之摩爾定律預期。

圖二 : 英特爾製程發展藍圖 <圖片來源：DailyTech LLC>

然而隨著元件尺寸未來持續微縮，直至奈米尺寸（1 nm~10 nm）時，將會面臨什麼樣的新挑戰呢？接下來，將舉一例說明。早在電晶體線寬微縮至45 nm時，因閘極與基板間的氧化層─「二氧化矽」厚度隨之變薄，薄化後的氧化層，竟引發電子直接由閘極金屬穿隧至矽基板內，形成穿隧電流（tunneling current）或稱為漏電流（leak current），此現象稱為「量子穿隧效應（quantum tunneling effect）」。

量子穿隧效應屬於量子物理範疇，其物理概念和傳輸機制與傳統電晶體元件物理大相逕庭，常令人感到頭疼。所幸，目前暫以high-K介電材料取代SiO2，大幅減緩漏電流的產生，此舉延後了量子效應可能發生的時程。

圖三 : 閘極穿隧電流（漏電流）示意圖 <資料來源:資策會MIC>

「量子效應」是危機亦是轉機

即便如此，許多專家仍認為，摩爾定律不久後即將受到嚴峻的考驗。主要的原因，不外乎於：

1. 下世代的微影技術為何？是超紫外光或者是電子束微影？高製作成本和時間成本的微影技術，如何導入量產成為相當棘手的問題。

2. 無法規避的「量子效應」遲早會隨著元件尺寸持續微縮而到來。量子世代裡，傳統電晶體元件物理或深次微米元件物理，皆受到衝擊甚至被推翻。

對於「量子效應」的恐懼因素，主要來自於無法掌握其可能對電晶體元件特性帶來的巨大改變，不過為因應量子世代的來臨，國際間早已有許多學術研究團隊嚴陣以待。目前最微小的電晶體結構─「單電子電晶體」和「單原子電晶體」等量子傳輸機制，正漸漸地被理論探討和實驗論證。

隨著電晶體尺寸微縮，擁有的好處包含：電晶體切換速度（或稱開關速度）快、能量損耗低、佔有的面積小，非常利於未來高速運算與節能需求的行動裝置，這些優異特性在單電子電晶體更是發揮至極致。

至今除了電子元件外，光電和能源轉換的研究領域，亦紛紛傳出捷報，證實奈米結構衍生的量子效應，竟使元件擁有相當驚人且優異的特性和效率。除了微小的電晶體外，熱門的奈米結構種類不勝其數，例如：薄膜石墨烯、量子井、奈米線、量子點、光子晶體等。本文將以「量子點」和「光子晶體」為例，首先闡述原理，接著探究其優勢與未來於行動裝置範疇的發展潛力。

量子點原理簡介

三-五族（III-V）自聚性量子點

三五族化合物包含有：砷化鎵、砷化銦、氮化鎵、氮化銦等。三五族半導體材料量子點主要是藉由異質結構間應力釋放後所產生，此即為自聚性量子點。量子點是最低維度的奈米結構，一般又稱為人造原子，成長模式主要有三種： Frank-van der Merwe模式（FvdM mode）、Volmer- Weber模式（VW mode）和Stranski-Krastanow模式（SK mode）。

FvdM模式，是指磊晶層（epilayer）一層層二維式地成長。此模式磊晶層與基板的晶格常數匹配，且磊晶層的介面能量與表面能量低於基板的表面能量。

VW模式，發生於磊晶層與基板的晶格常數不匹配的系統。此模式由於晶格常數差異甚大，致使介面能量高，而磊晶層立即隆起形成三維的島狀物以釋放其應力。

SK模式與VW模式相仿，皆發生於晶格常數不匹配的系統。但此模式由於晶格常數差較小，故SK模式一開始是以類似FvdM的方式，一層層二維式地成長，待應力累積至一定程度時，便類似於VW模式隆起為島狀物釋放應力，上述的島狀物即為量子點。

二-六族（II-VI group）量子點

二六族半導體化合物包含有：硒化鎘、硫化鎘等。2009年美國麻省理工學院研究團隊於Nano Letter期刊發表可調式電激發全彩量子點LED的研發成果。其中量子點溶液內含有硒化鎘／硫化鋅量子點，發光顏色為紅色；量子點溶液內含有硒化鋅／硒化鎘合金並包覆一層硫化鋅的量子點，發光顏色為綠色；量子點溶液內含有硫化鋅鎘合金量子點，發光波長為藍色。

以往，以旋轉塗膜法，可在溶液乾掉的時候，利用相分離，形成單一層量子點於有機物的表面。但如僅以此方法，只能形成一層大小相似的量子點，無法實現尺寸不同的量子點。附帶一提，上節所述之藉由應力釋放自聚成長的三五族量子點，尺寸大小是隨機的，亦難以精準控制量子點依照大、中、小排列。

如要邁向全彩，量子點溶液需先旋轉塗佈於彈性體上，此彈性體扮演的角色就如同印章一般，接下來，再以接觸印製的方法，將一批批尺寸不同的量子點分別蓋印於同一個元件基板上。如此一來，即可快速形成含有不同尺寸大小量子點的單一量子點層。目前，此方法提供了大面積全彩量子點LED製作可行性，同時也具有較低的製作成本的優勢。

光子晶體原理簡介

光子晶體（photonic crystal），是由兩種以上具有不同折射係數的材料週期性排列而成。依照週期性排列方式，可將光子晶體區分為一維光子晶體、二維光子晶體以及三維光子晶體。

光束入射至光子晶體中，將於不同材料接面處產生散射波，入射光束與所有散射波間，會形成干涉現象。干涉的結果可能為建設性干涉，也可能為破壞性干涉，某些頻段（或波段）的光，在光子晶體中達成完全破壞性干涉，形成「光子能隙（photonic band gap）」。因此，光子晶體對於這些頻段（或波段）的光而言，就像是一面布拉格反射鏡一般，將它們反射回去。

反射光的頻段（或波段）與光子晶體內異質材料的幾何排列方式有關。換句話說，可以藉由巧妙的設計與安排異質材料幾何排列方式，來決定反射光頻段（或波段）。在可見光範疇內，改變反射光頻段等同於改變反射光顏色，自然界裡蝴蝶的翅膀為何如此繽紛亮麗？隨著觀察蝴蝶的角度不同，蝴蝶翅膀的顏色為什麼會改變？顯微鏡下的蝴蝶翅膀，竟有著週期性排列的結構，這就是自然界光子晶體的案例。

或許僅需想像一下，如果能以人工方式，將蝴蝶翅膀週期性結構複製於行動裝置外殼或顯示器，那繽紛亮麗的色彩，將成為未來用戶們的視覺饗宴。

製作光子晶體以適用於可見光波段（波長為400 nm~800 nm）或紅外光波段（波長為800 nm~1500 nm）的技術即屬於奈米技術範疇。以二維光子晶體結構而言，有一種方法是於半導體薄膜中，利用蝕刻鑽出許多空氣孔洞。

孔洞內的折射係數等於空氣折射係數（n空氣=1.0），與半導體折射係數不同，並且呈現二維週期性排列，在可見光範圍內，空氣孔洞直徑多分佈於300 nm以下。至今學術界多半採取電子束微影方式製作，若採取此種方法，不同於前述的自聚性量子點，光子晶體製程商用化與否，容易受限於微影技術的進展。

量子點於行動裝置的應用潛力

激子為電子電洞對的束縛態，半導體材料內激子可藉由自發性輻射複合釋放出光子。基於量子侷限效應，量子點內部的激子複合效率高（亦即發光效率高），以自發性輻射方式釋放之光子具備高度的等向性。

不同尺寸量子點內的激子複合時，將釋放出不同波長的光子，例如：尺寸大的量子點釋放的光能量低、光波長較長，此稱為紅移現象；相反地，尺寸小的量子點釋放的光能量高、光波長較短，此稱為藍移現象。由於可見光範圍內，藍光波長最短而紅光波長最長，因此光波長往紅光靠近稱為紅移；反之，光波長往藍光靠近稱為藍移。

光子晶體應用潛力 －反射式顯示器

反射式顯示器（reflective display）無須背光源模組，其光源來自於環境週遭光的反射，環境的光越強，顯示器亮度則越高（因為反射光強度會隨著入射光強度增加而變強）。因此反射式顯示器不僅可用以解決用戶於高亮度的戶外無法閱讀的困擾以外，更達到幾乎零功率的損耗，最具代表性的產品為E-Ink的雙穩態電子紙顯示器。

E-Ink雙穩態電子紙顯示器採用電性相反的白色與黑色兩種高分子導電材料（白色帶正電、黑色帶負電），藉由上下兩側電極的電壓切換改變電場方向，黑白兩色粒子會受相異電場方向相互地往反方向漂移，電子紙的內容成像即可形成，如要加入其他顏色，可外加色彩濾光片實現之。

迄今隨著光子晶體的技術逐漸成熟，光子晶體將提供實現全彩反射式顯示器的另一個選擇。

奈米科技應用廣泛 極具發展潛力

量子點和光子晶體除了顯示器的應用以外，在其他的領域亦被高度期待。例如：量子點可應用於超高靈敏度DNA感測器、高效率熱電轉換元件、光偵測器等；光子晶體可應用於極低臨界電流的光子晶體雷射、光子晶體波導（較傳統光纖波導優異處在於光子晶體波導可大角度轉彎）等。

其中，DNA感測器適合生物感測器等發展，高效率熱電轉換元件適合行動裝置新型替代能源等發展；紅外線光偵測器適合軍事工業；極低臨界電流光子晶體雷射和光子晶體波導適合光纖通訊、寬頻訊號傳輸、光碟讀取頭和雷射印表機等。

奈米科技製程難易度與製作成本門檻相當高，也因此奈米元件常被稱為「工藝品」（取其精雕細琢之意）。隨著奈米元件在多項領域裡不斷被預期能大幅提升效率，奈米相關研究在學術界裡扮演的角色也越趨重要，研發能量也越來越強。

然而奈米科技衍生的的量子物理和量子傳輸理論，皆與過往傳統的元件物理大相逕庭，如要在奈米科技世代裡嶄露頭角，除了克服製程技術以外，培育、開發和善用量子物理與量子傳輸的專才也相當重要。畢竟門檻越高，提前佈局的時間也將越長。