光電工程研究所
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本所於民國91年成立碩士班，94年成立博士班。本所成立之宗旨及教育目標在於培育符合社會所需的光電科技專業人才，本所發展目標在於實現學界對於國內產業的關懷與參與之願景，並朝向「產業知識化、知識產業化」的發展趨勢與需求邁進。近年來，本校已轉型為綜合研究型大學，依據校務整體發展計畫與本所發展策略規劃之需求，將能提供本所未來發展之參考與願景。
本所研究方向 ：
一、光電材料與元件模組
二、奈米生醫及醫學影像
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Item 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。Item 鐵電電容式記憶體特性及研究(2023) 曾涵楨; Tseng, Han-Chen鐵電材料是一種具有雙穩態特性的材料，在電場的作用下能夠產生持久的極化狀態，也能夠在無外部電場的情況下保持所極化的狀態，並即在不同的極化狀態之間切換。這種特性使得鐵電材料成為理想的記憶體元件，可以實現高密度、非揮發性的數據存儲，使其廣泛應用於記憶體中。本研究選擇摻雜不同鋯濃度的氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2, HZO)作為鐵電材料，並對其特性進行了深入研究和應用。鐵電電容式記憶體（Ferroelectric Capacitive Memory, FCM）主要分為累積式FCM和反轉式FCM，同時都有低功耗、快速的寫入速度、長時間保持性和耐久度等優點，並應用於類神經運算。通過TCAD模擬的結果，觀察到反轉型FCM施加負偏壓時，n+摻雜區產生帶對帶穿隧效應。製作不同鐵電層濃度和結構的FCM元件，結果顯示MPB( Morphotropic Phase Boundary) SL(superlattice)-HZO具有較高的開關比，並且在保持度和耐久度量測中表現出更優異的性能，具有對稱性| αp - αd | = 0.03 ~ 0.35的深度學習操作，展現成為類神經突觸元件的能力。Item 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。Item 鐵電氧化鉿鋯於立體結構之奈米製程(2022) 林辰穎; LIN, CHEN-YING伴隨著技術節點的演進有助於人工智慧與物聯網的快速發展，電子元件須滿足低功耗、高密度、高效能等特性，目前已經能透過鰭式電晶體、環繞式閘極電晶體等多閘極三維電晶體，有效增加閘極控制通道的能力以至於降低漏電流並且解決尺寸微縮所導致的短通道效應，進而使續摩爾定律(Moore’s Law)延續。近年來鐵電材料於記憶體領域得到廣泛的研究，由於鉿基氧化物的鐵電材料具有與CMOS製程優異的相容性，相比傳統鈣鈦礦的鐵電材料成為新興記憶體的候選者之一。本論文研究分為三個部分，第一部份透過台灣半導體中心提供的i-line(365 nm)機台開發出鰭式電晶體，第二部分透過原子層沉積系統調變不同前驅物沉積順序，分別開發奈米貼合與超晶格之鐵電氧化鉿鋯堆疊製程，由於奈米貼合(Nano-laminated)與超晶格(Superlattice)的結構有助於鐵電氧化層的結晶，進階將它們應用於三維的鰭式場效電晶體。第三部分為開發三維垂直式陣列鐵電穿隧接面架構的製程。本論文成功演示分別將奈米貼合、超晶格與鐵電穿隧接面元件應用於三維的鰭式場效電晶體與三維垂直式陣列記憶體結構，並且超晶格的結果顯示在尺寸微縮下同時保持優異的鐵電記憶體特性，而三維垂直結構的鐵電穿隧接面元件透過調變電壓使電流比明顯上升。本論文之結果有助於未來發展3D NAND的架構。Item 相容於後段製程之雷射退火鐵電氧化鉿鋯數值模擬(2022) 唐松箖; Tang, Song-Lin將具有鐵電效應之氧化鉿鋯 (HZO) 的鐵電記憶體 (FeRAM)，並採用BEOL (Back end of line) 後段製程與邏輯 IC 整合。為了得到其良好的鐵電記憶體殘餘極化量 (Remnant Polarization)、矯頑場 (Coercive field) 以及ID-VG 遲滯特性，透過退火使 HZO 薄膜結晶化是相當重要的步驟，由於採用 BEOL 後段製成，將無法以一般 RTA (Rapid Thermal Annealing) 進行退火，因為下層的邏輯 IC 無法承受 RTA 退火的高溫，所以選擇用雷射退火 (Laser Annealing) 的方式將 HZO 薄膜結晶化。由於實驗無法準確量測 HZO 薄膜在退火時的溫度分布，因此本實驗透過模擬 Nd: YAG 雷射退火使鐵電記憶體結晶化的過程，以及下層邏輯 IC 的在退火時的溫度狀況，並模擬不同結構與不同材料，探討熱在不同結構與不同材料中的傳遞與分布。Item 鐵電氧化鉿鋯材料於非揮發性電阻式元件之未來新興記憶體應用(2021) 劉人豪; Liu, Jen-Ho鐵電二氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2)材料因具有雙穩態(Bi-stable)的特性，使其能在外加偏壓為零時仍具有兩個穩定的極化狀態，此特性使得它具備成為新興非揮發性記憶體(Non-volatile memory, NVM)的潛力，預期在未來人工智慧(Artificial intelligence, AI)和類神經運算(Neuromorphic computation)的應用中扮演至關重要的角色。截至現今已經有相當多關於鐵電材料於記憶體的研究，而本論文主要探討調變HZO中摻雜鉿(Hf)與鋯(Zr)的比例，並成功開發反鐵電(Anti-ferroelectric)材料應用於電阻式記憶體元件，且在記憶體特性上皆優於正鐵電(Ferroelectric)材料。本論文第二章研究結果為反鐵電介面二極體(Anti-ferroelectric junction diode)的記憶體具備單極性操作的能力，且記憶體的開關比例(On/Off ratio)達到100倍和耐受性(Endurance)可達到109次；而第三、四章則展示雙層反鐵電穿隧式記憶體(Bi-layer anti-ferroelectric tunneling junction)具有大於100倍的On/Off ratio和大於50倍的穿隧電阻比(Tunneling electro-resistance, TER)，耐受性與資料保存性(Retention)分別可達到108次與大於104秒，並且在調控不同寫入的脈衝電壓下，顯示具有多階儲存單元的能力（Multi-level cell）與深度學習(Deep Learning)的特性，使其具備成為高密度且低功耗的非揮發性記憶體應用於類神經運算的潛力(Neuromorphic computation)。Item 鐵電與反鐵電Hf1-xZrxO2多階操作及暫態負電容於低功耗記憶體內運算之應用(2021) 謝馥竹; Hsieh, Fu-Jhu在過去的十年中，鐵電材料被作為熱門的研究題目之一，當鐵電應用在電晶體時，具有電壓放大、能降低次臨界斜率(SS)突破60mV/dec的極限和負電容特性 (Negative Capacitance, NC)，所以負電容也是FeFET應用中的重要課題。為了理解NC效應的頻率響應，我們在Hafnium–zirconium oxide (HZO)中配置了不同的Zr濃度，不同的電容器連接模式（並聯或串聯）以及不同的電容器面積，以提高負電容效應。兩種方法分別顯示了不同頻率測量下NC的影響，得到了以下兩個結論,第一個並聯使用兩個HZO電容器以增加HZO電容器的總電容； 第二個將高電容的HZO電容器與介電電容器串聯使用，以通過不同頻率C-V測量的NC效應獲得電容放大。我們研究了HZO基材料中三種Zr濃度（[Zr]=50％，75％，90％），以證明帶有FE和AFE電容器的NC的頻率響應。最後總結來說，並聯連接的HZO-Zr50％+ HZO-Zr75％可以在<30 kHZ的頻率下獲得更高的電容，這表明存在NC效應。 在記憶體的應用，基於鐵電HfO2閘極堆疊的鐵電場效電晶體（FeFET），具有穩定遲滯現象(Hysteresis)和非破壞性讀取的特性，可用於多級單元（MLC）操作的非揮發性記憶體（NVM）。矯頑電場（EC）和殘餘極化（Pr）都是鐵電薄膜改變FeFET閾值電壓（VT）的決定性參數。在這項工作中，採用HZO不同厚度和濃度的調控來實現每一個記憶單元下可存入2~3位元的NVM。 在成功做出記憶體之後，未來可能面臨的問題不外乎為記憶體可靠度的提升。我們知道當HZO中的Zr濃度為50％時，會形成典型的FE。從FE的遲滯曲線可以看出，極化可以在沒有外部電壓的情況下存儲，並且正向和反向掃描將有兩個閾值電壓（VT），可以將其定義為“ 0”和“ 1”以用於非揮發性記憶體。當Zr為75％時，它將變為AFE。在沒有電場的作用下，AFE的遲滯曲線在兩階之間顯示出很小的差異，因此不適合用於非揮發性記憶體。實驗的目的是使用高濃度Zr（75％）Hf0.25Zr0.75O2分別在上下電極使用不同功函數材料。由功函數差異產生的內建電場將AFE的遲滯曲線移位，因此完成不施加偏壓的即可產生非揮發性記憶體的特性，使AFE與FE有相同的記憶特性。進而我們可以使用較小範圍的電壓來操作記憶體，從而可以降低功耗並延長記憶體的使用壽命。Item 雙層鐵電氧化鉿鋯於平面式與環繞式閘極電晶體之特性研究(2021) 江仕弘; Chiang, Shih-Hung近年來，由於鐵電材料具有雙穩態特性，在記憶體領域得到廣泛的研究，鉿基氧化物的鐵電材料由於具有與CMOS製程相容，取代傳統鐵電材料鈣鈦礦成為研究的主流，因此本論文研究鉿鋯氧化物(HfZrO2, HZO)作為鐵電記憶體的應用。此論文首先調控鐵電電容器(Metal/Ferroelectric/Metal, MFM)的電極，鉬(Mo)電極與氮化鈦(TiN)電極相比具有低熱預算、增強鐵電特性(殘餘極化)與降低操作電壓。第二部份為雙層HZO之場效電晶體(ferroelectric FET, FeFET)結構來演示多位元特性於多階記憶體(Multi-Level Cell, MLC)應用。最後，將二氧化矽和多晶矽沉積於矽晶圓上來取代絕緣層上覆矽(Silicon On Insulator, SOI)晶圓，之後使用原子層沉積(Atomic Layer Deposition , ALD)沉積雙層HZO包覆整個通道來製作環繞式閘極電晶體，並在雙層HZO中的夾層，設計氧化鋁(Al2O3)和TiN兩種材料，其中量測結果顯示於Al2O3與TiN相比具有優異的記憶窗口，但是需要較大的操作電壓。Item 鐵電電晶體以等脈衝編程之神經網路與極化輔助脫陷阱(2021) 張劭華; Chang, Shao-Hua近幾年來半導體的領域中，鐵電材料與現今CMOS 製程相容，是非常熱門的研究主題，而鐵電氧化鉿鋯(HfZrO2, HZO)也已被廣泛的利用。本論文系統地研究了用於增強（Potentiation）/ 抑制（Depression）機器學習的等脈衝編程，以使用5nm厚的HZO鐵電電晶體實現非線性度（α_P= 1.25和α_D = -3.69）和高電導比率（> 103x）。顯示出電導比率和線性之間的權衡特性。記憶窗（memory window, MW）增強的較高剩餘極化（Pr）將導致電導比率增加，但會降低訓練曲線的線性度。對於HZO厚度從15nm到5nm的HZO，以50ns的脈衝寬度和較低的脈衝電壓執行等脈衝的優化學習條件。這些突出的優點為將來記憶體內計算（computing-in-memory, CIM）應用程序等新興應用提供了機會。 而記憶窗作為主要決定因子，我們也嘗試透過介電層（dielectric, DE）與鐵電層相對位置調變，由量測結果發現上層的DE與下層DE相比有較大的記憶窗，且2階的資料保存能力達103秒無衰退現象，可重複操作次數超過105個cycles。在確立了其元件的特性後，我們嘗試以不同的脈衝條件，令元件達成機器學習的效果。鐵電電晶體的學習曲線具有良好的線性與對稱性。 雙層鐵電電晶體（double-layer ferroelectric, DFE），以改善機器學習中權重更新的非線性。雙層非對稱之FeFET（HZO 5nm / Al2O3 0.5nm / HZO 10nm）具有2.3 V的記憶窗，可操作 >105的耐久性，並可保持 >104秒。FeFET新型極化輔助脫陷阱（polarization assisted de-trapping, PAD）方法，增強型學習曲線的非線性度（αp）可以降低到0.07。Item 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。