TW201321297A - 半導體奈米線之固態光學元件及其控制方法 - Google Patents

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Jiunn-Horng Lee
Chia-Chin Chen
Chi-Feng Lin
Yu-Bin Fang
Ming-Hsiao Lee
Heng-Chuan Kan
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Nat Applied Res Laboratories
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Abstract

一種半導體奈米線之固態光學元件及其控制方法，包括一奈米線、一第一電極、一第二電極、一電子電路模組及一微致動元件。奈米線具有第一端與第二端。第一電極連接於奈米線的第一端。第二電極連接於奈米線的第二端。電子電路模組連接第一電極與第二電極。微致動元件與奈米線結合，用以對奈米線施予一外力，於奈米線中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域。最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域係分別作為n型半導體及p型半導體，以使奈米線處於接受外力之狀態時，成為一半導體。

Description

半導體奈米線之固態光學元件及其控制方法
本發明係與半導體奈米線之固態光學元件有關，特別是與一種能作為電致發光元件或光伏元件的半導體奈米線之固態光學元件及其控制方法有關。
當前人類所面臨最嚴酷的挑戰即是思考未來永續生存的方向，全球人口急速成長、全球暖化、氣候驟變、基本生存資源逐漸匱乏以及地球環境污染日益嚴重等各種議題皆為人類面對最嚴峻的困境。而在能源匱乏的議題方面，現下正方興未艾的太陽能與發光二極體產業即被視為未來人類必須解決能源匱乏問題的前提下，必然的一個重要且應為主要的一個選項。而現今相關產業的產品已朝邁入奈米的尺寸方向前進，且應用半導體製程概念製作各種光伏元件抑或電致發光元件所需之P型半導體與N型半導體。
如美國專利公告第7,254,151號所揭示Nanoscale coherent optical components，其係採用摻雜(doping)製程，製作發光元件中所需之P N介面。
如美國專利公告第7,435,996號所揭示Nanowire light emitting device and method of fabricating the same，其係採用摻雜(doping)製程，以在發光元件中製作所需之P N介面。
如美國專利公開第2006/0273328號所揭示Light emitting nanowires for macroelectronics，其係採用異質材料(heterostructure)之製作製程，以在發光元件中製作所需之P N介面。
如美國專利公告第7,396,696號所揭示Method for manufacturing super bright light emitting diode of nanorod array having InGaN quantum well，其係採用摻雜(doping)製程，以在發光元件中製作所需之P N介面。
如美國專利公告第7,816,700號所揭示Light emitting diode employing an array of nanorods and method of fabricating the same，其係採用摻雜(doping)製程，以在發光元件中製作所需之P N介面。
如美國專利公告第7,910,915號所揭示Nanowire devices and systems,light-emitting nanowires,and methods of precisely positioning nanoparticles，其係採用摻雜(doping)製程，以在發光元件中製作所需之P N介面。
如美國專利公告第7,863,625號所揭示Nanowire-based light-emitting diodes and light-detection devices with nanocrystalline outer surface，其亦係採用摻雜(doping)製程，以在發光元件中製作所需之P N介面。
再者，如美國專利公告第7,847,180號所揭示Nanostructure and photovoltaic cell implementing same，其係採用異質材料(heterostructure)之製作製程，以在光伏元件中製作所需之P N介面。
再者，如美國專利公告第7,858,965號及7,943,847所分別揭示之Nanowire heterostructures及Apparatus and methods for solar energy conversion using nanoscale cometal structures，其皆採用異質材料(heterostructure)之製作製程，以在光伏元件中製作所需之P N介面。
如前所述，現今相關產業製作各種光伏元件抑或電致發光元件所需之P型半導體與N型半導體時，皆採用摻雜(doping)或異質材料(heterostructure)之技術。
本發明之主要目的在於提供一種半導體奈米線之固態光學元件，包括：一奈米線，具有一第一端與一第二端；一第一電極，連接於該第一端；一第二電極，連接於該第二端；一電子電路模組，連接該第一電極與該第二電極；一微致動元件，與該奈米線結合，用以對該奈米線施予一外力，於該奈米線中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域。該奈米線係由單一材料所形成。例如：奈米線之材料係選自第二、第三、第四及第五族元素。例如奈米線可具有矽奈米晶體結構。矽奈米晶體結構可為<110>方向或<111>方向。
微致動元件對該奈米線施予之外力係用以扭轉該奈米線。當該微致動元件扭轉該奈米線時，最高佔用分子軌域及該最低未佔用分子軌域係分別作為n型半導體及p型半導體，以使該奈米線處於接受該外力之狀態時成為一半導體，可作為一光伏元件或一電致發光元件。
本發明又提供一種半導體奈米線之固態光學元件的控制方法，該半導體奈米線之固態光學元件具有一奈米線、一電子電路模組以及一微致動元件，與該奈米線結合，該控制方法包括：以該微致動元件對該奈米線施予一外力，例如扭轉該奈米線，使該奈米線中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域。
若應用本發明，將該奈米線作為一電致發光元件，則本發明之控制方法更包括一以該電子電路模組，對該奈米線提供電源，以使該奈米線發光之步驟。
若應用本發明，將該奈米線作為一電致發光元件，則本發明之控制方法更包括一以光線照射該奈米線，使該奈米線產生電流之步驟。
本發明半導體奈米線之固態光學元件及其控制方法無需如習知技術均需以摻雜(doping)或異質材料(heterostructure)之製作方式才能形成具有PN介面的半導體光學元件，僅需對奈米線施予外力，例如扭轉該奈米線，即能實現奈米線成為具有PN介面的半導體。本發明微致動元件即作為本發明固態光學元件之開關，若應用本發明製作之固態光學元件作為一光伏元件或一電致發光元件暫不需作動時，僅需移除對奈米線施予之外力即可。
請參考本發明第1圖，係表示半導體光伏元件之簡單示意圖。請參考本發明第2圖，係表示半導體電致發光之簡單示意圖。於第1圖所示之光伏元件中具有P型半導體與N型半導體，兩者間存在PN介面。當光伏元件接收光子時，光子所提供之能量激發半導體之電子，在PN介面產生電子-電洞對，內建電場將電子-電洞對在複合前分開，產生光電流。於第2圖所示之電致發光元件中具有P型半導體與N型半導體，兩者間存在PN介面。對電致發光元件供給電源施以順偏，使傳導帶(conductance band)的電子與價帶(valence band)的電洞複合，即N型半導體的電子注入P型半導體，與介面處電子-電洞複合(recombination)，其損失的能量便以光的形式輸出。
請參考本發明第3圖，係表示本發明半導體奈米線之固態光學元件之簡單示意圖。本發明半導體奈米線之固態光學元件包括一奈米線100、一第一電極200、一第二電極300、一電子電路模組400及一微致動元件500。奈米線100具有第一端101與第二端102。第一電極200連接於奈米線100的第一端101。第二電極300連接於奈米線100的第二端102。電子電路模組400連接第一電極200與第二電極300。微致動元件500連接一控制器501為其所控制，且與奈米線100結合，用以對奈米線100施予一外力，以於奈米線100中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域(於後詳述)。最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域係分別作為n型半導體及p型半導體，以使奈米線100處於接受外力之狀態時即能成為一半導體元件。於本發明中微致動元件500所施予之外力以扭轉為例，然並未以此為限定，例如拉伸或壓縮亦可，僅要能使奈米線100中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域即可。並且，本發明對微致動元件500及微致動元件500與奈米線100結合之方式於本發明中可以微機電設計，以力學方式扭轉奈米線100，然亦並未以此為限定。
請參考本發明第3圖及第4A圖至第4D圖。第4A圖至第4D圖係利用模擬軟體分析未施加外力於奈米線100時，最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)與最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)之分布圖，為本發明半導體奈米線之固態光學元件處於未扭轉狀態之示意圖。於此實施例中，本發明之奈米線100係為方向<110>、直徑1.5nm、單一材料、具有矽奈米晶體結構之矽奈米線。
第4A圖與第4B圖為本發明半導體奈米線100之正面示意圖。第4C圖與第4D圖為本發明半導體奈米線100之側面示意圖。第4A圖與第4C圖為未施加外力時，奈米線100中之電子分布。第4B圖與第4D圖為未施加外力時，奈米線100中之電洞分布。由第4A圖至第4D圖可知，本發明之微致動元件500若未對奈米線100施予外力時，最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域之位置相幾重疊，此時，本發明之奈米線100中未形成n型半導體及p型半導體。
請參考本發明第3圖及第5A圖至第5D圖。第5A圖至第5D圖係係利用模擬軟體分析表示依據本發明第一實施例半導體奈米線之固態光學元件，奈米線100的扭轉角度與最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)及最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)分布關係之正面及側面示意圖。於此實施例中，本發明之奈米線100係為方向<110>、直徑1.5nm、單一材料、具有矽奈米晶體結構之矽奈米線。然本發明並非以此為限，本發明奈米線100之材料係可選自第二、第三、第四及第五族元素。
第5A圖與第5B圖為本發明半導體奈米線100之正面示意圖。第5C圖與第5D圖為本發明半導體奈米線100之側面示意圖。第5A圖與第5C圖為微致動元件500施予之外力將本發明半導體奈米線100扭轉50度角時，奈米線100中電子與電洞之分布。第5B圖與第5D圖為微致動元件500施予之外力將本發明半導體奈米線100扭轉87.5度角時，奈米線100中電子與電洞之分布。由第5A圖至第5D圖可知，相較於第4A圖至第4D圖，依據本發明隨著微致動元件500將半導體奈米線100扭轉之角度愈大，最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)分布於奈米線100外側周圍，最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)分布於奈米線100中心之趨勢愈加明顯。即能實現奈米線100成為具有PN介面的半導體。並且，本發明微致動元件500即能作為本發明半導體奈米線之固態光學元件的開關。僅要透過微致動元件500控制奈米線100被扭轉之角度，便能控制本發明半導體奈米線之固態光學元件的啟動與關閉。
請參考本發明第3圖及第6A圖至第6C圖。第6A圖至第6C圖係係利用模擬軟體分析表示依據本發明第二實施例半導體奈米線之固態光學元件，奈米線100的扭轉角度與最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)及最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)分布關係之正面及側面示意圖。於此實施例中，本發明之奈米線100係為方向<111>、直徑1.5nm、單一材料、具有矽奈米晶體結構之矽奈米線。然本發明並非以此為限，本發明奈米線100之材料係可選自第二、第三、第四及第五族元素。
第6A圖與第6B圖為本發明半導體奈米線100之正面示意圖。第6C圖為本發明半導體奈米線100之側面示意圖。第6A圖與第6C圖為微致動元件500施予之外力將本發明半導體奈米線100扭轉50度角時，奈米線100中電子與電洞之分布。第6B圖為微致動元件500施予之外力將本發明半導體奈米線100扭轉87.5度角時，奈米線100中電子與電洞之分布。由第6A圖至第6C圖可知，相較於第4A圖至第4D圖，依據本發明隨著微致動元件500將半導體奈米線100扭轉之角度愈大，最低未佔用分子軌域分布於奈米線100外側周圍，最高佔用分子軌域分布於奈米線100中心之趨勢愈加明顯。並且，透過微致動元件500對奈米線100施予扭轉之外力，便能控制本發明半導體奈米線之固態光學元件的啟動與關閉，即能實現奈米線100成為具有PN介面的半導體。
請參考本發明第3圖及第7A圖至第7C圖。第7A圖至第7C圖係係利用模擬軟體分析表示依據本發明第三實施例半導體奈米線之固態光學元件，奈米線100的扭轉角度與電子及電洞分布關係之正面及側面示意圖。於此實施例中，本發明之奈米線100係為方向<111>、直徑2.2nm、單一材料、具有矽奈米晶體結構之矽奈米線。然本發明並非以此為限，本發明奈米線100之材料係可選自第二、第三、第四及第五族元素。
第7A圖與第7B圖為本發明半導體奈米線100之正面示意圖。第7C圖為本發明半導體奈米線100之側面示意圖。第7A圖為微致動元件500施予之外力將本發明半導體奈米線100扭轉50度角時，奈米線100中電子與電洞之分布。第7B圖與第7C圖為微致動元件500施予之外力將本發明半導體奈米線100扭轉87.5度角時，奈米線100中電子與電洞之分布。由第7A圖至第7C圖可知，相較於第4A圖至第4D圖，依據本發明隨著微致動元件500將半導體奈米線100扭轉之角度愈大，電子分布於奈米線100外側周圍，電洞分布於奈米線100中心之趨勢愈加明顯。並且直徑為2.2nm之奈米線100其形成作為n型半導體及p型半導體之電子與電洞之分布區分愈明顯，亦即元件之半導體效應更為顯著。
請參考本發明第8A圖與第8B圖，係表示本發明半導體奈米線之固態光學元件的控制方法實施例之流程圖。
如前所述，本發明半導體奈米線之固態光學元件可作為電致發光元件，例如：固態發光元件。請參考第2圖、本發明第3圖及第8A圖，於此實施例中，本發明半導體奈米線之固態光學元件的控制方法包括下列步驟：步驟810，以該微致動元件扭轉奈米線100，使奈米線100中形成最高佔用分子軌域(電洞)及最低未佔用分子軌域(電子)；步驟820，透過電子電路模組400，對奈米線100提供電源，以使奈米線100發光。
或者如前所述，本發明半導體奈米線之固態光學元件可作為光伏元件，例如：太陽能電池。請參考第1圖、本發明第3圖及第8A圖，於此實施例中，本發明半導體奈米線之固態光學元件更包括一蓄電元件(未顯示)。本發明半導體奈米線之固態光學元件的控制方法包括下列步驟：步驟830，以該微致動元件扭轉奈米線100，使奈米線100中形成最高佔用分子軌域(電洞)及最低未佔用分子軌域(電子)；步驟840，以光線照射奈米線100，奈米線100產生電流，能對前述蓄電元件進行充電。
如前所述，本發明微致動元件即作為本發明固態光學元件之開關，若應用本發明製作之固態光學元件作為一光伏元件或一電致發光元件暫不需作動時，僅需移除對奈米線施予之外力即能使本發明奈米線之固態光學元件成為非半導體之狀態。再者，本發明半導體奈米線之固態光學元件及其控制方法之優點在於：習知技術均需以摻雜(doping)或異質材料(heterostructure)之製作方式才能形成具有PN介面的半導體光學元件，而本發明之奈米線係由單一材料所形成，其材料係選自第二、第三、第四及第五族元素。依據本發明僅需扭轉奈米線，即能實現奈米線成為具有PN介面的半導體。
雖然本發明已就較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之變更和潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．奈米線
101．．．第一端
102．．．第二端
200．．．第一電極
300．．．第二電極
400．．．電子電路模組
500．．．微致動元件
501．．．控制器
第1圖係表示半導體光伏元件之簡單示意圖。
第2圖係表示半導體電致發光之簡單示意圖。
第3圖係表示本發明半導體奈米線之固態光學元件之簡單示意圖。
第4A圖至第4D圖係本發明半導體奈米線之固態光學元件處於未扭轉狀態之示意圖。
第5A圖至第5D圖係表示依據本發明第一實施例半導體奈米線之固態光學元件，扭轉角度與最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)及最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)分布關係之正面及側面示意圖。
第6A圖至第6C圖係表示依據本發明第二實施例半導體奈米線之固態光學元件，扭轉角度與最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)及最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)分布關係之正面及側面示意圖。
第7A圖至第7C圖係表示依據本發明第三實施例半導體奈米線之固態光學元件，扭轉角度與最低未佔用分子軌域(LUMO;Lowest unoccupied molecular orbital，代表電子)及最高佔用分子軌域(HOMO;Highest occupied molecular orbital，代表電洞)分布關係之正面及側面示意圖。
第8A圖與第8B圖係表示本發明半導體奈米線之固態光學元件的控制方法實施例之流程圖。
100．．．奈米線
101．．．第一端
102．．．第二端
200．．．第一電極
300．．．第二電極
400．．．電子電路模組
500．．．微致動元件
501．．．控制器

Claims (10)

  1. 一種半導體奈米線之固態光學元件，包括：一奈米線，具有一第一端與一第二端；一第一電極，連接於該第一端；一第二電極，連接於該第二端；一電子電路模組，連接該第一電極與該第二電極；一微致動元件，與該奈米線結合，用以對該奈米線施予一外力，於該奈米線中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述半導體奈米線之固態光學元件，其中該奈米線係由單一材料所形成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述半導體奈米線之固態光學元件，其中該奈米線之材料係選自第二、第三、第四及第五族元素。
  4. 如申請專利範圍第錯誤!找不到參照來源。項所述半導體奈米線之固態光學元件，其中該微致動元件對該奈米線施予之該外力係用以扭轉該奈米線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述半導體奈米線之固態光學元件，其中該電子電路模組係具有一蓄電元件，該奈米線係作為一光伏元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述半導體奈米線之固態光學元件，其中該電子電路模組係用以對該奈米線提供電源，該奈米線係作為一電致發光元件。
  7. 一種半導體奈米線之固態光學元件的控制方法，該半導體奈米線之固態光學元件具有一奈米線、一電子電路模組以及一微致動元件，與該奈米線結合，該控制方法包括：以該微致動元件對該奈米線施予一外力，使該奈米線中形成最高佔用分子軌域及最低未佔用分子軌域。
  8. 如申請專利範圍第7項所述半導體奈米線之固態光學元件的控制方法，其中該微致動元件對該奈米線施予之該外力係用以扭轉該奈米線。
  9. 如申請專利範圍第7項所述半導體奈米線之固態光學元件的控制方法，更包括一以該電子電路模組，對該奈米線提供電源，以使該奈米線發光之步驟。
  10. 如申請專利範圍第7項所述半導體奈米線之固態光學元件的控制方法，其中該電子電路模組更包括一蓄電元件，該控制方法更包括一以光線照射該奈米線，使該奈米線產生電流以對該蓄電元件進行充電之步驟。
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