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壹、實驗室簡介


薄膜電晶體實驗室(a-Si/ poly-Si TFT Laboratory是台灣大學電子工程學研究所固態組 (Solid-State Electronics Group)的一個實驗室,指導教授是李嗣涔博士。實驗室目前有11名博士班學生、14名碩士班學生。截至目前為止,實驗室共計畢業45位博士班學生、160位碩士班學生。畢業學長姐們有的繼續 在學術界任教,多數則是投身業界半導體或光電領域。實驗室位於台灣大 學電機新館451 室。主要的硬體研究設備有輝光放電化學氣相沈積 ( PECVD )、低壓化學氣相沈積 (LPCVD)、反應離子蝕刻(RIE)、濺鍍設備(SPUTTER)、電壓電流量測系統等。
 

  一九八二年李嗣涔教授有感於 國 內對高科技之需求,返回母系任教。李教授的研究領域在半導體材料及元件,包含鋁砷化鎵、砷化銦、非晶矽氫等材料之成長及測試,以及雷射 二極體,異質接面雙極電晶體,薄膜電晶體及類神經網路偵測器等元件之 研 製。他在一九八五年與當時博士班學士林浩雄教授一起發明異質接面雙極 電晶體之「射極邊緣薄結構 」, 讓電晶 體之電流增益高達 12500, 1/f 雜訊大幅降低,到目前已成為高頻電路如無線通信手機放大器之世界標準結構。 在薄膜電晶體研究方面,李教授是世界第一個把氘用到非晶矽薄膜電 晶體之製作上,並證實以氘代替氫的 確可以改善非晶矽薄膜電晶體之電 性,不但場效移動率( field-effect mobility )大幅增加70%,穩定度也大為增加。經過這幾年的努力,李教授的卓越貢獻獲得國際上的肯定,於二 00二年榮膺國際電子電機工程師協會 IEEE FELLOW
 
 

貳、研究概況

   
  在非晶矽(碳)氫合金材料方面,本實驗室由測量合金材料的導電度、光學帶溝、光激放光頻譜、紅外線吸收頻譜及理論的計算,對非晶矽(碳)氫合金內之矽氫(Si-H)及碳 氫鍵的微觀結構提出模型,認為位於紅外線吸收尖峰2000 cm-1 是位於「單矽空隙」內的矽氫鍵所提供,而2080 cm-1 吸收尖峰則是由「雙矽(或以上) 空隙」內的矽氫鍵所提供,解決了材料微觀結構上最基本的爭議。另外由高溫退火實驗,配合紅外線頻譜測試,把不論是由甲烷或是乙烯混合矽烷所生長的非晶矽碳氫材料內所有可能出現的矽氫級碳氫分子結構一一找 出,對材料的微觀物理化學結構有一全面而透徹的了解,也證實此種材料的電子結構的確可以由Brodsky 的量子井模型來描述。
   
  非晶矽氫材料有一極嚴重之缺陷,就是在光照之下會產生衰退現象,暗導電度及光導電度均下降,矽懸垂鍵數目增加。一九八六年,本實 驗室提出衰退之微觀動力機制。一九九六年貝爾實驗室發現在矽MOSFET 元件之介面以氫的同位素氘代替氫,元件之熱電子衰退效應大幅減低,轟動了積體電路界。本實驗室也以氘代替氫來製作非晶矽氘材料,發現果然在照光之下光導電度之衰退現象大幅減小。並提出微觀模型來解釋,認為是矽氘分子(Si-D)鍵之擺動振盪模式頻率與非晶矽晶格振盪模式頻率相 近之緣故。這項解釋證實本實驗室十 年前所提出的動力機制是比較接近事實之說法,並已經受到國際的重視,咸認為是最有可能解釋氘神奇功效之機制。本實驗室把氘用到非晶矽薄膜 電晶體之製作上,並證實以氘代替氫 的確可以改善非晶矽薄膜電晶體之電性,不但場效移動率( field-effect mobility)大幅增加70%,穩定度也大為增加。
   
  目前液晶平板顯示器逐漸取代電視陰極射線管而成為最重要的顯示裝置。較高級的液晶顯示器中液晶的驅 動裝置就是非晶矽氫薄膜電晶體。本實驗室發明了一種閘極平坦化製程來增加元件的良率,利用被推薦人實驗室所發明的低溫(≦50℃)二氧化矽 的液相沈積法(已獲中美兩國專利) 在製作完成金屬閘極後,將閘極周圍用二氧化矽填平,接著長的元件就完全是平坦的,這樣可以降低尖銳轉角所產生的高電場,降低漏電流,提昇電晶體特性。本實驗室也創新利用低 溫液相沈積法所長的二氧化矽來做非晶矽氫薄膜電晶體之閘極氧化層獲得成功,可以取代傳統所使用之氮化矽(a-SiNx:H),增加製程之彈性。
         
 
         


 

 

 


參、研究成果

 
  • 完成a-Si 邊界、指向及轉角偵測器,將信號處理的功能設計入偵測器內,可直接偵測圖像的邊界、邊界的指向或轉角等特徵。
  • 完成a-SiGe X-光偵測器,較傳統a-Si 偵測器有較好的響應。
  • 以液相沈積SiO2為閘極氧化層製程之非晶及多晶矽薄膜電晶體低溫製程。
  • 首度以氘取代氫,製成非晶及多晶矽薄膜電晶體,具有較佳的電性及穩定度。
  • 發現以Ni/Cu作為低溫(550oC)誘發多晶矽之金屬,要比傳統僅以Ni來誘發,其多晶矽成長速度要快上十倍,且晶粒尺寸相當,打破在工業應用上的瓶頸。
  • 發展出特殊準分子雷射退火製程,可以做出10μm大小的多晶矽粒。
  • 結合由下而上的Si/Ge量子點與由上而下的分子束磊晶技術,完成Si/Ge量子點紅外線偵測器,可以操作在240 K
  • 完成接近室溫(∼250 K)操作的InAs/GaAs量子點紅外線偵測器,大幅減少冷卻元件之裝置,降低成本,擴大其應用的範圍。
  • LPCVD完成直徑為10, 20, 50 nm矽奈米線之成長與摻雜,並測量其結構、光學及電子特性。

 
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