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The investigation of selective pre-pattern free self-assembled Ge nano-dot formed by excimer laser annealing
(2012) Lee, Min-Hung; Chen, Pin-Guang
乾轉移石墨烯電極鈣鈦礦量子點塔米共振腔發光二極體之研究
(2023) 陳爰伶; Chen, Yuan-Ling
Tamm plasma RCLED是一種將塔米電漿(Tamm plasmon)結構應用於共振腔發光二極體(Resonant Cavity Light Emitting Diode, RCLED)中的發光元件。通過在共振腔中引入塔米電漿結構，可以改變光的發射特性和增強發光效率。本篇論文藉由設計布拉格反射鏡(Distributed Bragg mirror, DBR)和金屬反射鏡形成共振模態波段為530nm的共振腔發光二極體。利用塔米電漿由金屬層和介電質層之間形成的強電場區域進行高效率的光電轉換，當金屬和單層石墨烯作為電極施加電壓時，載子會在主動層鈣鈦礦量子點中進行複合並產生發光，也因塔米電漿的微腔結構可以將發光的光子反射回共振腔中，增強光子的循環和調製從而大大提升發光的效率。
介電質超表面簡併臨界耦合在增強紅外光吸收之研究
(2023) 黃子洋; Huang, Tzu-Yang
本論文旨在利用數值模擬方法，研究半導體介電質超表面中利用簡併臨界耦合來增強其紅外（IR）光的吸收。首先，我們研究在太赫茲 (THz）頻率範圍下，利用矽（Si）介電質超表面來實現簡併臨界耦合的條件。我們的結果顯示，當亞波長矽圓柱方形陣列中的電偶極（ED）和磁偶極（MD）兩個共振模態達成簡併時，矽介電質超表面在頻率ν = 1 THz可以達到高吸收率（~ 90%）。我們利用耦合模理論來擬合超表面的吸收光譜，得到上述兩個共振模態的輻射率（γ）和耗散率 (δ），並從而驗證了當兩個共振模態達成簡併臨界耦合時，兩個模態各別的輻射率和耗損率必須滿足 γ = δ的條件。其次，我們設計了一基於砷化鎵 (GaAs) 圓柱的介電質超表面，來增強短波紅外光波段的吸收。首先，當砷化鎵未摻雜時，通過系統性地改變砷化鎵圓柱的直徑（d）和高度（h），我們成功地在波長λ~ 3.8 μm處使超表面的電偶極和磁偶極兩個共振模態達成簡併。在此特定頻率下，砷化鎵圓柱陣列可將入射光完全反射（即反射率R = 1和透射率T = 0）。我們進而藉由摻雜在砷化鎵中引入自由載子吸收，來臨界耦合超表面中互為簡併的電偶極和磁偶極兩個共振模態。在此條件下，砷化鎵超表面的吸收率在波長λ= 3.8 μm處可達到90 %。我們在以上兩種情況下，成功證明了半導體介電質超表面的紅外光吸收確實能在遠低於半導體能隙的頻率下增強。我們預期，此利用簡併臨界耦合，達成介電質超表面在低於半導體能隙的頻率下光吸收增強的現象，將可以應用於發展包括雷射和光偵測器的新型紅外光電元件上。關鍵字: 介電質超表面、簡併臨界耦合、紅外光
使用鐵電負電容效應之低電壓超陡峭斜率電晶體模型及設計
(2015) 劉謙; Liu, Chien
隨著元件微縮達到物理極限，鐵電負電容這項概念將是一個能突破現況的轉捩點，目前此領域不管是UC Berkeley的S. Salahuddin教授或Fraunhofer Center的Johannes Müller等專家都已推廣鐵電負電容概念。室溫下的MOSFET之Boltzmann tyranny物理極限2.3kbT/decade限制了開關特性斜率，堆疊鐵電層(FE) 作為具有負電容(NC)效應之介電層提供低開啟電壓(< 0.2 V)像穿戴式裝置、生物醫學電子與物聯網(IoT)應用之可行辦法，為了驗證NC的概念可將body factor (m)<1，利用Landau model模擬NC效應並建立其理論模型。然而，負電容效應中最具代表性的電滯迴圈會因鐵電層厚度而產生電滯現象，此現象對於製作記憶體很重要；但是為了應用在CMOS操作上，電滯現象就會成為元件性能上缺點，所以需要找到能不產生電滯現象且具有最小次臨界擺幅(SS)的最佳鐵電層厚度才能達到陡峭斜率電晶體。鐵電負電容目前被廣泛運用成NCFET並證實其有效性，而為了使電性臻於完美，傳輸機制(n factor)也是另外一項可改善的參數，搭配ultra-thin body與double gate成為UTB-DG-NCFET能使SS明顯下降，最後再結合tunneling FET三種加強效果下誕生了能在 0.2V內完全開啟的UTB-DG-NCTFET，此元件達到了未來sub-10nm技術的低電壓(Low voltage)之超陡峭斜率 (Super-Steep slope)次世代電晶體研究。
俱鐵電效應之鉿基氧化物於負電容及記憶體應用
(2016) 謝孟傑; Xie, Meng-Jie
俱鐵電效應之鉿基氧化物(Hafnium-based Oxides)於近幾年吸引相當多探討，因其俱有製程整合之優勢，與目前半導體製程相容。因鉿基氧化物可由原子層沉積 (Atomic Layer Deposition, ALD)技術成長，故俱超薄物理厚度，且在適當掺雜或退火又俱鐵電特性，若發展至負電容(negative capacitance)效應及記憶體(memory)應用將有低耗功及快速操作之發展潛力。本研究的目標就是發展利用鐵電之鉿鋯基氧化物(Hafnium- Zirconium oxide)，完成負電容電晶體(NC-FETs)及鐵電記憶體(FeRAM)之研究，並討論其在快速響應下之操作速度。於此論文之研究將瞭解發展鐵電之鉿鋯基氧化物應用於未來世代之邏輯電路或記憶體發展之可行性。
光輔助金屬鈀薄膜蝕刻製程在少層硫化物成長研究
(2021) 梁紘; Liang, Hong
本論文目的在開發一個金屬鈀的奈米級蝕刻製程，應用在其成長硫化物層數控制技術開發。首先在大氣與室溫環境下，控制溫濕度條件，利用波長 1064 nm的遠紅外線雷射進行照射，透過不同照射功率與照射次數的改變，探討雷射對金屬鈀薄膜的改質情形。其次，利用雷射照射後的金屬鈀薄膜進行甲酸蒸氣反應實驗，在0.25M、80℃下將甲酸汽化、導入反應腔體與試片反應，進行薄膜單次與循環蝕刻實驗，透過原子力顯微鏡(AFM)的表面粗糙度變化與厚度變化觀察以及光電子能譜儀(XPS)的化學鍵結分析，得知蝕刻反應前後的狀況，包含蝕刻率與蝕刻終點等。透過最佳化蝕刻參數，每循環最小蝕刻速率可小於1nm/cycle，且蝕刻過後表面粗糙度約為0.2nm。在其硫化物成長的製程開發方面，利用單加熱區管型爐來進行，硫粉跟試片被放在加熱中心的相反方向來調整氣化溫度跟反應濃度。調整試片位置與中央加熱區溫度，透過拉曼光譜分析結果，得知Pd-S在中心溫度750℃、與中心加熱區距離20cm，得到最佳的硫化鈀成長結果。
具有低熱預算閘極電偶極層之金氧半電容平整帶電壓調變技術
(2024) 張以太; Chang, Yii-Tay
在先進的半導體技術中，奈米片技術(Nanosheet, NS)應用於閘極環繞（Gate-all-around, GAA）電晶體和互補場效電晶體 (Complementary FET, CFET)，由於其優越的閘極控制能力和更高的密度，已成為最新的技術趨勢。然而，這項技術也面臨諸多挑戰，尤其是奈米片間距（Tsus）的空間限制及 CFET 對於低溫製程的限制，使得調變多階臨界電壓（VT）變得越來越困難。研究從使用物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)電偶極層(Dipole layer)的金屬氧化物電容(MOSCAP)元件開始，逐步討論至原子層沉積(Atomic layer deposition, ALD)電偶極層元件。在PVD 電偶極層元件系列實驗，本實驗嘗試兩種材料Indium oxide (In2O3) 與 Aluminum oxide (Al2O3)，並分別製作電偶極層優先(Dipole-first)及電偶極層置後(Dipole-last) 元件，且製程溫度皆不超過500 °C，控制在低溫製程，具低熱預算的特性，本研究中可以看到In2O3 Dipole-first 元件在平整帶電壓位移 (Flat band voltage shift, VFB shift)的表現優異，最大的 VFB shift 達 -380 mV ，另外在以Al2O3作為電偶極層的元件也成功展示不同方向的VFB shift值達290 mV，實現多階的平整帶電壓調變。綜上所述，多階臨界電壓之技術研究在先進的半導體技術中的發展前景廣闊，但需克服製程複雜性、熱預算和臨界電壓調整等多方面的挑戰，本論文透過研究此創新技術來推動臨界電壓調變技術的進一步發展。
利用 I-line 微影及相關製程技術開發奈米級 Ω 型金氧半場效電晶體和無接面式電晶體
(2019) 樂杰; Lo, Chieh
元件尺寸微縮在相同的面積下有著更高的效能，因此元件大小成為現今科技業一直持續努力的目標，然而隨著元件尺寸持續的微縮，短通道效應也隨著元件的微縮到來，當通道到達了數十奈米甚至是奈米量級的時候，嚴重的短通道效應將會帶來許多問題，因此能夠有效控制閘極能力至關重要，目前發展出許多方法來改善短通道效應，通道使用奈米線並配合三維結構如鰭式電晶體、Ω 形電晶體，藉由增加閘極的控制面積，來有效抑制漏電流，而這類型的電晶體也是在物聯網時代低耗能的候選者。本論文主要探討的是透過台灣半導體實驗室(TSRI) 0.35μm 製程的設備，製作 Ω 型金氧半場效電晶體(Ω-Shape MOSFETs)和 Ω 型無接面式電晶體(Ω-Shape JLFETs)，藉由在矽基板上堆疊二氧化矽和多晶矽來取代 SOI，盡可能降低成本並配合 365 奈米 I-Line 光學步進機快速生產元件，配合各種方式來微縮元件尺寸，藉此開發具有奈米級線寬的電晶體。
利用Ge2Sb2Te5結合布拉格反射器設計具可調式窄頻雙波長之熱輻射發射器
(2023) 何柏緯; Ho, Po-Wei
本論文旨在利用頂層金屬光柵結合雙層的鍺/二氧化鈦分散式布拉格反射器結合相變化材料之混合堆疊結構來研究中紅外波段(5~15微米)的雙波長窄頻熱輻射發射器。首先，使用光學薄膜厚度公式設計工作在波長為4微米的分散式布拉格反射器結構，接著利用模擬軟體設計金屬光柵於雙層的鍺/二氧化鈦分散式布拉格反射器上，分別分析在入射光極化方向平行於與垂直於光柵周期下的共振模態與頻譜特徵。最後，使用黃光製程來完成樣品的製作，並利用傅里葉轉換紅外光譜量測比對實驗與模擬結果是否吻合。在入射光極化方向平行於光柵周期時，鍺/二氧化鈦分散式布拉格反射器結構同時激發出三種共振模態，包含Gap-cavity mode、MG mode波導模態與Hybridized Gap-cavity mode。而在TM極化下，則激發出侷域在頂層鍺層的波導模態、侷域在底層鍺層的波導模態與侷域表面電漿子共振。藉由模擬計算，我們系統性分析這些共振模態的光學特性，包含光柵結構與上層GST膜厚對這些共振模態的頻譜響應、改變入射光角度的影響等，並製作出一系列具不同金屬光柵線寬與上層GST厚度的樣品來驗證理論結果，最後成功設計出具結構與極化可調性、低角度相依性之雙波長窄頻可調式的熱輻射發射器，未來期望應用於提高分子感測應用之靈敏度與準確性。
利用I-Line黃光微影之負電容及自我對準鰭型穿隧電晶體試製
(2016) 劉劭農; Liu, Shau-Nung
這是實驗並且整合在epi Ge/Si FET加上鐵電閘極介電層HfZrOx的堆疊後，藉由負電容的影響讓電晶體無磁滯效應且次臨界擺幅（SS）< 60mV/dec。半導體和鐵電的電容相匹配，獲得Vt 在正掃及反掃無遲滯效應的結果。分別藉由body factor和模擬的執行，來驗證負電容的效應和透過數值計算的方式來進行Ge厚度的最佳化。於本論文認定文獻中之鰭式電晶體(FinFET)為鰭寬小於50奈米，本團隊所製程之鰭寬~60-80nm，故稱鰭型電晶體(Fin-Shaped FET)，鰭型的結構有利於閘極的控制能力獲得陡峭的次臨界斜率，第三章研究了兩種鰭線寬的微縮方式，此實驗的目標在於能在六吋的製程中達到理想之耐米鰭線寬度。一般鰭型穿隧型電晶體的製程中，會使用兩個獨立的光罩來的定義源極和汲極，再分別離子佈植不同的區域，但這樣會讓源極和汲極間留有一段本質區域，造成能帶到能帶間的穿隧(band-to-band tunneling, BTBT)機率下降，在本研究中製作出奈米鰭線寬使用I-line 黃光製程而非E-beam直寫，利用自對準製程技術(self-alignment process)使得源極和汲極和閘極間無本質區域的方法成功的被驗證。關鍵字: 陡峭次臨界擺幅、鰭型電晶體、鰭型穿隧型電晶體
利用波長365nm黃光微影製程之奈米微結構
(2017) 郭峻岳; Kuo, Chun-Yueh
鰭型電晶體有利於微縮以獲得更好閘極控制能力，本實驗欲透過波長365nm黃光微影製程方式，而非電子束直寫（E-beam Direct Write, EBDW），將鰭型線寬曝光至奈米鰭/奈米牆，但若只是單純使用一般黃光微影製程的極限，是無法將線寬曝至奈米等級之理想值，故欲透過Dummy Fin 設計以保護與光罩本身結構設計，避免顯影時被沖斷，再者透過水平爐管熱氧化(Oxidation)方式，進一步對Fin本身進行二度線寬微縮，才有辦法將鰭型線寬(Fin Width)微縮至奈米級的線寬，而本論文則將奈米鰭/奈米牆成功達到8奈米線寬。
奈米製程之立體三維鐵電記憶體開發
(2023) 陳品寰; Chen, Pin-Huan
由於科技快速的發展下，3C產品為了滿足更高的效能與更低的功耗，使得同面積下晶片內電晶體的密度必須不斷的翻倍，為了克服其無法避免的漏電流問題，電晶體架構從最初的平面式電晶體發展演變成了立體結構的鰭式電晶體FinFET再到最近幾年相當火熱的環繞式閘極電晶體GAAFET，進而使閘極能夠有效的控制通道。此外，由於鐵電材料的發現與突破應用於記憶體領域方面有極大的潛力，因此同樣獲得大量的關注與研究，而鐵電材料與CMOS製程優良的適應性與兼容性被視為未來可取代傳統NAND的明日之星。此論文分成幾個部分，第一部分首先會先討論電晶體的演變以及方向，接著說明鐵電材料的發現以及應用。第二部分接著探討MFM鐵電電容過程中使用了TSRI的I-Line 365 nm曝光機、乾濕蝕刻、CVD化學氣象沉積、PVD物理氣象沉積與關鍵的ALD原子層沉積系統等等，重要部分有像是調整ALD中鋯(Zr)以及鉿(Hf)元素前驅物的比例及順序來開發出所謂的固溶體(Solid-Solution)結構以及超晶格(Superlattice)結構來與3D電晶體元件做搭配，其中反鐵電的特性使得耐久性(Endurance)與操作速度大幅提高，有望未來能夠在記憶體產業占有一席之地。第三部分為將鐵電材料應用於GAA的部分，本章節會詳細介紹如何使用SOI晶圓經過不同製程直到做出元件並且配合場發射穿透式電子顯微鏡(TEM)來對元件進行分析，其中重要的部分像是選擇曝光條件以及如何大幅使矽通道進行減薄也會在此章節詳細說明。第四部分為FTJ -Vertical電晶體之製程，使用搭配了超晶格(Superlattice) 之鐵電結構並且顯現了在小尺寸下依舊能夠展示出優異的鐵電特性以及相當適合應用於3D NAND 之架構。
微共振腔鈣鈦礦量子點異質接面光偵測器元件之特性探討
(2023) 吳文凱; Wu, Wen-Kai
本篇最初使用化學氣象沉積法製作鈣鈦礦層，將鈣鈦礦作為增益介質，結合一個P型材料氧化鎳和一個N型材料氧化鋅製作成光偵測器，並加入金屬電極銀和布拉格反射鏡形成塔米電漿結構。由於本實驗利用化學氣象沉積法製作的鈣鈦礦層無法達成COMSOL模擬所需的厚度，因此改由熱注入法來製作，將鈣鈦礦層變成量子點的型態。熱注入法製作出的鈣鈦礦量子點彼此間有許多的不連續的邊界，因此我們利用PMMA溶液覆蓋於鈣鈦礦層上方，不但填補了鈣鈦礦量子點裡晶粒間的空缺，也可以避免上方的氧化鋅與下方的氧化鎳接觸。量測方面利用COMSOL模擬了解該結構的低反射模態位置，並使用470 nm的LED作為光訊號來源使鈣鈦礦層產生光電流，最後比較有無布拉格反射鏡對鈣鈦礦光偵測器的影響。
應用於FeRAM之鐵電氧化鉿鋯電容特性及穿隧接面元件
(2020) 林彥昀; Lin, Yen-Yun
隨著氧化鉿(HfO2)鐵電(Ferroelectric, FE)特性的發現，可以彌補最新技術節點與鐵電非揮發性記憶體之間的微縮瓶頸。除了非揮發性，新穎的記憶體還應該保證足夠的可靠度並同時具備低延遲及低耗能的特性，與鈣鈦礦鐵電記憶體相比，鐵電鉿基氧化物具備與CMOS製程相容且有利於尺寸微縮的優勢。本論文第一部份使用氧化鉿鋯(Hf0.5Zr0.5O2)作為元件的鐵電層，以TiN及TaN 分別作為MFM(Metal-Ferroelectric-Metal)的上電極金屬，發現TaN的應力能使鐵電薄膜有著較大的殘餘極化(Remnant Polarization, Pr)，達到更好的記憶體特性。根據文獻，因反鐵電(Antiferroelectric, AFE)材料具有高耐久度的特性，故第二部分以高鋯濃度之氧化鉿鋯(HfxZr1-xO2)為鐵電層之MFM用於記憶體特性研究，並且達到耐久度(Endurance)超過1011次，使反鐵電材料能應用於FeRAM。另外，我們也將高鋯濃度之氧化鉿鋯，作為氧化鉿鋯鐵電穿隧接面(Ferroelectric Tunnel Junction, FTJ)元件之鐵電層，並成功區分出高阻態(High-Resistance State, HRS)與低阻態(Low-Resistance State, LRS)，證實AFTJ具有成為未來新興記憶體的潛力。
摻雜之二硫化硒層狀材料在作為場效應電晶體通道對降低源/汲極接觸電阻之研究
(2016) 黃紹嘉; HUANG, Shao-Jia
近幾年，過渡金屬硫屬化合物因為具有能隙關係，比同樣具有二維結構的石墨烯更適合用在電晶體元件製作，因此吸引很研究學者的興趣。其中WSe2是屬於P型的半導體更特別引人關注，然而一直缺乏一個穩定可控制的摻雜技術，難度頗高。本篇將開發一個穩定可行的摻雜製程，利用共濺鍍製程技術加上後硒化處理。希望用這個方法能夠讓電晶體的載子濃度及載子遷移率提升，讓通道電阻及接觸電阻有效的降低。
新興光電技術的剖析與智權佈局：聚焦在電子束蒸鍍製作異質接面結構太陽能電池技術、紅外線感測技術
(2021) 劉箐茹; Liu, Ging-Rue
本論文主要是在研究新興光電技術應用中二種關鍵光電元件及其相關專利之智權分布概況。這兩種光電元件，一為太陽能電池，另一為紅外線光感測器。首先，我們所研究的太陽能電池是以具本質薄膜層之異質接面太陽電池(Heterojunction with Intrinsic Thin layer，簡稱HIT)為主題，我們採用電子束蒸鍍機製作新型之異質接面矽基太陽能電池。研究結果發現在切割損傷去除蝕刻流程和450°C形成氣體退火之製程後，可有效的改善短路電流及開路電壓。相較於傳統的PECVD設備，可降低製程設備成本。基於上述之優點，將該製程技術進一步來申請專利，並透過專利申請之實務過程中了解該製程技術的可專利性。目前已取得相關專利包含中華民國新型專利、中華民國發明專利及日本發明專利共三篇。再來，我們針對紅外線光感測器之應用來做介紹，分別以三維光達（3D LiDAR）及大氣遙測光達(Gas mapping LiDAR）來進行說明。最後，我們以類似專利佈局的觀點來研究此兩種光電元件的全球專利申請狀況。從全球專利檢索發現，HIT太陽電池的專利申請以發明專利為最主要申請類型，佔全球申請量之89%，申請國家以中國大陸為主要。IPC技術分類可以發現，技術顯著集中在H01L類上，大部分的技術歸屬在H01L31/00上。關於三維光達(3D LiDAR)技術方面，有相當大的比重是通過發明專利進行保護，全球統計發明專利佔所有專利比重的95.8%。中國大陸是最主要的申請國。大氣遙測光達(Gas mapping LiDAR）方面，發明專利佔所有專利比重的83%，全球大氣遙測光達專利以申請人排名來看，在排名前十五的專利申請人中有，6個來自中國大陸、5個來自美國，2個來自德國，韓國和沙烏地阿拉伯各1。台灣有合作參與共計有2件，均歸屬於來自美國的專利。依據2020年版的IPC專利分類，與大氣遙測光達(Gas mapping LiDAR）最相關的技術前十位中有7項專利歸類在G類，並以G01、G05與G06等類別的專利數量為最多。
次世代電子元件: 鐵電矽鍺元件、氮化鎵、二維材料
(2018) 王政穎; Wang, Cheng-Ying
近年來隨著物聯網(IoT)及穿戴式行動裝置的普及，電晶體發展朝向小尺寸、高效能及低功率。我們成功發展出可應用於未來世代的電子元件，如鐵電閘極矽鍺電晶體及其鐵電特性研究、氮化鎵、二維材料。本研究將分為二硫化鎢(WS2)、氮化鎵、鐵電閘極矽鍺電晶體及其鐵電特性研究，第一部份為探討成長WS2製程方式，如製程溫度、時間、壓力、含氫量等。第二部分為利用AlGaN/GaN HEMT電晶體設計及特性表現元件，為閘極場平板元件，以及鐵電閘極矽鍺電晶體。第三部分為利用HfZrO2於鐵電材料分析及應用。以上元件，目標為降低操作電壓VDD，以降低元件的耗能，達到低功率目的。
氧化鉿鋯之鋯濃度最佳化應用於三維垂直式鐵電穿隧接面元件與低溫翻轉響應之鐵電隨機存取記憶體
(2023) 張福生; Chang, Fu-Sheng
由於鐵電氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2, HZO)材料具有極化的特性應用於非揮發性記憶體研究，此論文透過原子層沉積調控摻雜鋯的比例以研究鐵電穿隧接面元件(Ferroelectric Tunnel Junctions, FTJ)，更進一步設計三維立體垂直式FTJ，實現高密度陣列記憶體，在相同面積占比下堆疊FTJ元件，並展示其具有邏輯閘操作潛力，電流開關比達到1500倍，此外透過低溫量測來探討鐵電記憶體(FeRAM)的操作速度極限，結果顯示反鐵電電容的操作速度優於正鐵電電容，且證明部分四方晶相 (tetragonal phase)主導的反鐵氧化鉿鋯在低溫下會部分轉變成正交晶相 (orthorhombic phase) 進而導致殘餘極化量上升創造更佳的記憶存取空間，提升反鐵電電容應用在未來新興記憶體的潛力。
氧化鉿鋯材料系統之鐵電工程以邁向新興記憶體與邏輯應用
(2022) 廖俊宇; Liao, Chun-Yu
鐵電氧化鉿鋯之鐵電工程為本論文主題，主要研究於記憶體及邏輯元件應用。記憶體應用方面，將討論鐵電場效應電晶體（FeFETs）可改善方向及面臨的問題，包括記憶體密度的挑戰、電荷俘獲和去極化效應以及wake-up效應。此外於電荷增加(charge boost)的發生機制中，將在反鐵電系統上採取有別一般理論的解釋方式，並提出雙向無電滯之方案。在第二章中，將使用反鐵電-正鐵電-電晶體進行兩位元的記憶體操作，其電晶體內含有四方晶向(tetragonal phase)及正交晶向(orthorhombic phase)的混合(反)鐵電向位。而四方晶向及正交晶向分別可以提供多峰矯頑場(coercive field)及殘餘極化(remnant polarization)的特性，進而得到較穩定的多位階操作及非揮發性記憶體能力。因此，利用反鐵電-正鐵電-電晶體在± 4 V的低電壓操作下，可得到多於10^5次的操作次數及在高溫環境下(65 ℃)的穩定資料儲存能力(>10^4 s)。而為了提高記憶體資料保存穩定性的目的，在第3章節中將使用非等厚度的雙層鐵電氧化鉿鋯作為閘極堆疊結構。雙層鐵電氧化鉿鋯結構是利用一層氧化鋁的介電質材料作為隔層，分別將兩層不等厚度的氧化鉿鋯隔開，其上層及下層的鐵電氧化鉿鋯分別為5奈米及10奈米。這種設計是為了避免單斜晶向(monoclinic phase)在較厚的氧化鉿鋯中產生，以維持鐵電極化特性。此外，上層及下層的矯頑場不同，使得每一位階更加穩定及獨立，可以有效降低讀取時的錯誤率，且與單層鐵電氧化鉿鋯的閘極設計相比，可改善600倍的錯誤率。因此，雙層鐵電氧化鉿鋯作為非揮發性記憶體的多階單元並進行2位元可靠度測試時，可得到>10^5次的循環操作及>10^4秒的資料保存能力。此外, 鐵電電晶體與三維結構技術的結合，例如:鰭式電晶體及閘極環繞電晶體，使得記憶體元件的尺寸能持續微縮至奈米等級，以增加單位面積下的記憶體單元，持續達到密度提升的目標。在第四章中，將三維的閘極環繞奈米片鐵電電晶體結構，並搭配雙層鐵電堆疊技術以作為高密度嵌入式非揮發性記憶體。而本章節中使用氮化鈦及氧化鋁兩種不同的隔層材料，其分別可對於操作電壓及記憶窗大小進行優化及改善。然而，奈米片的轉角結構使得極化方向互相抵消，產生較弱的極化區域-死區(dead zone)。而使用雙層氧化鉿鋯，外層的氧化鉿鋯有較大的曲率半徑，這可以減緩轉角效應。因此選擇TiN隔層的雙層鐵電氧化鉿鋯，可在± 3.5 V的操作電壓下，產生1.3 V的記憶窗、>10^11次卓越的操作能力及>2×10^4秒的資料保存能力。然而，鐵電電晶體1T架構中存在寫入後讀取(read-after-write)之資料保存流失(retention loss)問題，鐵電電晶體在給予正極性的寫入電壓後，造成電荷被捕獲且殘留在氧化層與半導體層的介面，此捕獲電荷會抵消鐵電的電偶子產生的極化反應，使得臨界電壓在「寫後讀」的不穩定，造成錯誤讀取。此外，當閘極氧化層減薄後，會產生更大的去極化場，導致鐵電極化的衰退，這必須依靠給予一個閘極偏壓去抵抗去極化場，以避免極化衰退。因此，第五章將探討n型鐵電電晶體的「寫後讀」行為，並利用-1.5 V的反向極性電壓協助電荷「去捕獲」，並同時調整基準電壓，以抵抗去極化場造成的鐵電極化衰退。在第六章中，將嘗試使用電漿增強原子層沉積系統(plasma-enhanced atomic layer doposition)進行鐵電氧化鉿鋯的薄膜優化。研究發現，使用電漿的輔助可減少氧化鉿鋯內的氧空缺(oxygen vacancy)，並使晶相形成較多的鐵電相位，避免電壓操作時的氧空缺重新排列造成的極化喚醒過程，達到免喚醒(wake-up free)的鐵電薄膜元件。另外，其可使用300 ℃的退火溫度，即形成良好的鐵電特性，以達到後段製程(BEOL)的所需的熱預算要求。負電容(negative capacitance)效應的理論根據與起源於目前尚有爭論。在過去幾年中，Landua-Ginzburg-Devonshire理論(LGD theory)被用解釋負電容現象產生的表面電荷增加。在第七章中，將使用另一解釋方式，利用反向切換(reverse switching)的概念討論電荷提升，實驗中使用AFE和AFE-DE系統來驗證反向極化切換所產生的電荷提升將會與飽和極化及殘餘極化的差有重要關係。此外，當AFE電容進行雙極性操作，可同時得到雙極性電荷提升及沒有遲滯現象的結果，此實驗結論支持了本實驗室於之前論文發表之電晶體實驗結果。
添加金屬鉭對金屬鎢硫化形成二維硫化物製程的影響
(2021) 楊育峻; Yang, Yu-Jun
層狀過渡金屬硫屬化合物是繼石墨烯被發掘後最為廣泛研究的一種奈米材料，它具有特殊的層狀原子排列結構而且具有的光電特性，已經在許多光電、電子、氣體或生物感測技術以及觸媒反應等方面被廣泛的研究。而這些特性可以透過改變堆疊的層數與材料成份的方式來加以變化。以這種方式調控的材料可以增加材料的適用範圍，但是如何加入雜質與相對應技術對於過渡金屬硫屬化合物的應用發展是一大挑戰。本論文將探討添加雜質元素的方法及雜質對二硫化鎢材料合成過程的影響。本實驗採用二階段方式合成二硫化鎢，首先利用共濺鍍技術成長含雜質的鎢合金薄膜前驅物，透過硫化反應而成最終的二維材料。透過鍍膜參數控制厚度與成份。利用 X光繞射儀、X光光電子儀、拉曼光譜儀來分別探討合成後材料的顯微結構、鍵結能量與鍵結的判斷。用原子力顯微鏡來分析合成後材料的表面形貌。透過這些分析數據比對，來探討合金添加對WS2 硫化反應過程最佳化的影響。