随着奈米元件在多项领域里不断被预期能大幅提升效率，

奈米相关研究在学术界里扮演的角色也越趋重要，

然而衍生的理论皆与传统的元件物理大相径庭，

要在奈米科技世代里崭露头角势必要提前布局。

刊头

半导体制程持续缩小，2014年开始迈入20nm，2015年将持续微缩至16nm，未来进入10nm以下（真正奈米等级）制程世代是可预期的，而Apple和Samsung陆续提出奈米科技应用于行动装置显示器的概念，两公司大胆且积极​​地布局，等同替奈米科技勾勒出未来的应用蓝图。反观，台厂是否已经注意到奈米科技的潜力与重要性了呢？

图一 : Apple和Samsung陆续提出奈米科技应用于行动装置显示器的概念，等同替奈米科技勾勒出未来的应用蓝图。 图片来源：IntoMobile

奈米科技简介

从电晶体的演进过程观察奈米科技

回顾Intel电晶体制程技术演进过程，电晶体线宽已由2003年90 nm演进至2011年22 nm。每两年，单位面积内电晶体数量倍增，正符合1965年Gordon E. Moore提出之摩尔定律预期。

图二 : 英特尔制程发展蓝图

然而随着元件尺寸未来持续微缩，直至奈米尺寸（1 nm~10 nm）时，将会面临什么样的新挑战呢？接下来，将举一例说明。早在电晶体线宽微缩至45 nm时，因闸极与基板间的氧化层─「二氧化矽」厚度随之变薄，薄化后的氧化层，竟引发电子直接由闸极金属穿隧至矽基板内，形成穿隧电流（tunneling current）或称为漏电流（leak current），此现象称为「量子穿隧效应（quantum tunneling effect）」。

量子穿隧效应属于量子物理范畴，其物理概念和传输机制与传统电晶体元件物理大相径庭，常令人感到头疼。所幸，目前暂以high-K介电材料取代SiO2，大幅减缓漏电流的产生，此举延后了量子效应可能发生的时程。

图三 : 闸极穿隧电流（漏电流）示意图

「量子效应」是危机亦是转机

即便如此，许多专家仍认为，摩尔定律不久后即将受到严峻的考验。主要的原因，不外乎于：

1. 下世代的微影技术为何？是超紫外光或者是电子束微影？高制作成本和时间成本的微影技术，如何导入量产成为相当棘手的问题。

2. 无法规避的「量子效应」迟早会随着元件尺寸持续微缩而到来。量子世代里，传统电晶体元件物理或深次微米元件物理，皆受到冲击甚至被推翻。

对于「量子效应」的恐惧因素，主要来自于无法掌握其可能对电晶体元件特性带来的巨大改变，不过为因应量子世代的来临，国际间早已有许多学术研究团队严阵以待。目前最微小的电晶体结构─「单电子电晶体」和「单原子电晶体」等量子传输机制，正渐渐地被理论探讨和实验论证。

随着电晶体尺寸微缩，拥有的好处包含：电晶体切换速度（或称开关速度）快、能量损耗低、占有的面积小，非常利于未来高速运算与节能需求的行动装置，这些优异特性在单电子电晶体更是发挥至极致。

至今除了电子元件外，光电和能源转换的研究领域，亦纷纷传出捷报，证实奈米结构衍生的量子效应，竟使元件拥有相当惊人且优异的特性和效率。除了微小的电晶体外，热门的奈米结构种类不胜其数，例如：薄膜石墨烯、量子井、奈米线、量子点、光子晶体等。本文将以「量子点」和「光子晶体」为例，首先阐述原理，接着探究其优势与未来于行动装置范畴的发展潜力。

量子点原理简介

三-五族（III-V）自聚性量子点

三五族化合物包含有：砷化镓、砷化铟、氮化镓、氮化铟等。三五族半导体材料量子点主要是藉由异质结构间应力释放后所产生，此即为自聚性量子点。量子点是最低维度的奈米结构，一般又称为人造原子，成长模式主要有三种： Frank-van der Merwe模式（FvdM mode）、Volmer- Weber模式（VW mode）和Stranski-Krastanow模式（SK mode ）。

FdM模式,是指磊晶层(epi layer)一层层二维式地成长。此模式磊晶层与基板的晶格常数匹配,且磊晶层的介面能量与表面能量低于基板的表面能量。

VW模式，发生于磊晶层与基板的晶格常数不匹配的系统。此模式由于晶格常数差异甚大，致使介面能量高，而磊晶层立即隆起形成三维的岛状物以释放其应力。

SK模式与VW模式相仿，皆发生于晶格常数不匹配的系统。但此模式由于晶格常数差较小，故SK模式一开始是以类似FvdM的方式，一层层二维式地成长，待应力累积至一定程度时，便类似于VW模式隆起为岛状物释放应力，上述的岛状物即为量子点。

二-六族(III V group)量子点

二六族半导体化合物包含有：硒化镉、硫化镉等。 2009年美国麻省理工学院研究团队于Nano Letter期刊发表可调式电激发全彩量子点LED的研发成果。其中量子点溶液内含有硒化镉／硫化锌量子点，发光颜色为红色；量子点溶液内含有硒化锌／硒化镉合金并包覆一层硫化锌的量子点，发光颜色为绿色；量子点溶液内含有硫化锌镉合金量子点，发光波长为蓝色。

以往，以旋转涂膜法，可在溶液干掉的时候，利用相分离，形成单一层量子点于有机物的表面。但如仅以此方法，只能形成一层大小相似的量子点，无法实现尺寸不同的量子点。附带一提，上节所述之藉由应力释放自聚成长的三五族量子点，尺寸大小是随机的，亦难以精准控制量子点依照大、中、小排列。

如要迈向全彩，量子点溶液需先旋转涂布于弹性体上，此弹性体扮演的角色就如同印章一般，接下来，再以接触印制的方法，将一批批尺寸不同的量子点分别盖印于同一个元件基板上。如此一来，即可快速形成含有不同尺寸大小量子点的单一量子点层。目前，此方法提供了大面积全彩量子点LED制作可行性，同时也具有较低的制作成本的优势。

光子晶体原理简介

光子晶体（photonic crystal），是由两种以上具有不同折射系数的材料周期性排列而成。依照周期性排列方式，可将光子晶体区分为一维光子晶体、二维光子晶体以及三维光子晶体。

光束入射至光子晶体中，将于不同材料接面处产生散射波，入射光束与所有散射波间，会形成干涉现象。干涉的结果可能为建设性干涉，也可能为破坏性干涉，某些频段（或波段）的光，在光子晶体中达成完全破坏性干涉，形成「光子能隙（photonic band gap）」。因此，光子晶体​​对于这些频段（或波段）的光而言，就像是一面布拉格反射镜一般，将它们反射回去。

反射光的频段（或波段）与光子晶体内异质材料的几何排列方式有关。换句话说，可以藉由巧妙的设计与安排异质材料几何排列方式，来决定反射光频段（或波段）。在可见光范畴内，改变反射光频段等同于改变反射光颜色，自然界里蝴蝶的翅膀为何如此缤纷亮丽？随着观察蝴蝶的角度不同，蝴蝶翅膀的颜色为什么会改变？显微镜下的蝴蝶翅膀，竟有着周期性排列的结构，这就是自然界光子晶体的案例。

或许仅需想像一下，如果能以人工方式，将蝴蝶翅膀周期性结构复制于行动装置外壳或显示器，那缤纷亮丽的色彩，将成为未来用户们的视觉飨宴。

制作光子晶体以适用于可见光波段（波长为400 nm~800 nm）或红外光波段（波长为800 nm~1500 nm）的技术即属于奈米技术范畴。以二维光子晶体结构而言，有一种方法是于半导体薄膜中，利用蚀刻钻出许多空气孔洞。

孔洞内的折射系数等于空气折射系数（n空气=1.0），与半导体折射系数不同，并且呈现二维周期性排列，在可见光范围内，空气孔洞直径多分布于300 nm以下。至今学术界多半采取电子束微影方式制作，若采取此种方法，不同于前述的自聚性量子点，光子晶体​​制程商用化与否，容易受限于微影技术的进展。

量子点于行动装置的应用潜力

激子为电子电洞对的束缚态，半导体材料内激子可藉由自发性辐射复合释放出光子。基于量子局限效应，量子点内部的激子复合效率高（亦即发光效率高），以自发性辐射方式释放之光子具备高度的等向性。

不同尺寸量子点内的激子复合时，将释放出不同波长的光子，例如：尺寸大的量子点释放的光能量低、光波长较长，此称为红移现象；相反地，尺寸小的量子点释放的光能量高、光波长较短，此称为蓝移现象。由于可见光范围内，蓝光波长最短而红光波长最长，因此光波长往红光靠近称为红移；反之，光波长往蓝光靠近称为蓝移。

光子晶体应用潜力 －反射式显示器

反射式显示器（reflective display）无须背光源模组，其光源来自于环境周遭光的反射，环境的光越强，显示器亮度则越高（因为反射光强度会随着入射光强度增加而变强） 。因此反射式显示器不仅可用以解决用户于高亮度的户外无法阅读的困扰以外，更达到几乎零功率的损耗，最具代表性的产品为E-Ink的双稳态电子纸显示器。

E-Ink双稳态电子纸显示器采用电性相反的白色与黑色两种高分子导电材料（白色带正电、黑色带负电），藉由上下两侧电极的电压切换改变电场方向，黑白两色粒子会受相异电场方向相互地往反方向漂移，电子纸的内容成像即可形成，如要加入其他颜色，可外加色彩滤光片实现之。

迄今随着光子晶体的技术逐渐成熟，光子晶体​​将提供实现全彩反射式显示器的另一个选择。

奈米科技应用广泛 极具发展潜力

量子点和光子晶体除了显示器的应用以外，在其他的领域亦被高度期待。例如：量子点可应用于超高灵敏度DNA感测器、高效率热电转换元件、光侦测器等；光子晶体可应用于极低临界电流的光子晶体雷射、光子晶体波导（较传统光纤波导优异处在于光子晶体波导可大角度转弯）等。

其中，DNA感测器适合生物感测器等发展，高效率热电转换元件适合行动装置新型替代能源等发展；红外线光侦测器适合军事工业；极低临界电流光子晶体雷射和光子晶体波导适合光纤通讯、宽频讯号传输、光碟读取头和雷射印表机等。

奈米科技制程难易度与制作成本门槛相当高，也因此奈米元件常被称为「工艺品」（取其精雕细琢之意）。随着奈米元件在多项领域里不断被预期能大幅提升效率，奈米相关研究在学术界里扮演的角色也越趋重要，研发能量也越来越强。

然而奈米科技衍生的的量子物理和量子传输理论，皆与过往传统的元件物理大相径庭，如要在奈米科技世代里崭露头角，除了克服制程技术以外，培育、开发和善用量子物理与量子传输的专才也相当重要。毕竟门槛越高，提前布局的时间也将越长。