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磷化鋁銦鎵、氮化銦鎵與碳化矽半導體 之光學特性研究

光學量測對於分析半導體材料具有很重要的地位，尤其是對於材料的結構、特性，甚至是物理機制。而近幾年的寬能隙半導體材料，由於它的材料特性非常適合應用在現今生活的電器設備用品上，譬如：發光二極體、積體電路原件…等，所以被廣泛而且深入的研究，縱使已經有不少上市產品應用寬能隙半導體為材料，但是仍然有許多的問題與困難需要被解答被突破，因此，我們將針對目前的許多挑戰做出研究。在這篇論文中，我們將藉由上述各項技術進行研究。 在半導體雷射開始崛起以後，已經有許多的物質成功地被研究出能發出紅光。而這其中又以AlInGaP最具代表性，因為它能在室溫底下發出波長為0.6

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鉛島於矽(100)-2X1表面受量子尺寸效應影響之低溫成長

利用掃描穿隧顯微鏡研究低溫成長於矽Si(100)-2×1表面的鉛薄膜。有三種鉛島會形成: 六角形表面平坦的鉛(111)島嶼，長條型表面平坦的鉛(100)島嶼和長條型三維的鉛島嶼。對於表面平坦的鉛(111)島嶼，島的厚度局限在4~10個原子層之間。觀察其數量分布，以6層高的島嶼最多。這種成長行為起源於量子尺寸效應。利用掃描穿遂能譜不同厚度的島嶼測量到量子井態。利用量子力學中無限位能井模型可以解釋這個結果。此外，表面平坦的鉛(100)島嶼和三維的鉛島嶼每跨過一個臺階方向會轉90°。這現象意味著鉛(100)島嶼和三維的鉛島嶼會受到矽Si(100)-2×1表面重購的影響

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生長週期性區域極化反轉鉭酸鋰晶體光纖的監控電流研究

由於鉭酸鋰具有較佳的非線性係數，且可承受較大的入射光功率，以及在短波長區段有較高的穿透率，因此被廣泛的應用於雷射與光通訊系統的光波長轉換元件。 本論文探討以雷射加熱基座生長法(LHPG)研製出鉭酸鋰晶體光纖，外加以週期性變換之高壓電場，製作週期性區域極化反轉之鉭酸鋰晶體光纖。在製作的過程中，可觀察到鋰原子受到高溫高壓電場影響而游離並產生氧化鋰，我們並可由實驗結果合理的解釋氧化鋰會影響量測電流以及改變電場分佈，並提出等效電路模型，電流模擬之結果與實驗值接近。最後提出電偶極模型進行感應電流的估算及解釋實驗成果。 在倍頻光學實驗上，可得到基頻光為1542.1 nm有最高的倍頻輸出功率，與理論值1550 nm僅有0.51%的誤差；而以平均功率120 mW，波長1524.2 nm之基頻光入射時，可量測到16.6μW的倍頻輸出，其倍頻轉換效率較以往進展10倍以上。

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無機奈米線與有機材料混成太陽能電池之研究

有機共軛高分子太陽能電池具有低成本、低溫製程、可撓、容易大面積製造等等優點，近年來引起廣大的注意。爲了增加有機共軛高分子太陽能電池之光電轉換效率，一般都採用本體異質結構，此結構由施體如poly(3-hexylthiophene) (P3HT)和受體如[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)混合組成一層。本體異質結構元件是施體和受體材料互相交錯形成，提供大面積的界面讓照光所產生的激子能有效分離成電子電洞。然而施體和受體材料互相交錯則不容易形成。除此之外有機材料不是很適合載子傳輸，因此有機共軛高分子太陽能電池之光電轉換效率受限於低激子的分離機率和沒有效率的跳躍式載子傳輸。 因此我們結合單晶矽奈米線與有機材料去克服有機共軛高分子太陽能電池的缺點，利用排列整齊單晶之矽奈米線結合P3HT:PCBM本體異質結構去製作排列整齊單晶矽奈米線混成太陽能電池，這排列整齊的矽奈米線是被製造從矽晶圓，並且轉移到P3HT:PCBM所覆蓋的玻璃基板，此矽奈米線提供電子未被打擾的傳導路徑、加強光的吸收和增加激子分離的界面面積。我們的結果展示矽奈米線是有潛力地提升混成太陽能電池效率，藉由增加短路電流從7.17 mA/cm2到11.61 mA/cm2。

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氮化鎵奈米結構的光激螢光頻譜與拉曼頻譜量測

我們發展了一個以一個迅速、實用的自組排列奈米小球製程來製作氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井的奈米柱陣列。奈米柱陣列以二氧化矽小球在元件表面定義奈米柱區域，並以小球為遮罩的自然微影方法接著以電感耦合電漿離子蝕刻(ICP-RIE)方式去完成。 在材料分析的結果上，我們在奈米柱低溫(60k<)的光激螢光頻譜裡看到分裂的能階，我們認為這是由於近一維的奈米柱所產生的量子侷限效應所帶來的影響。 在拉曼量測上，我們能夠分析奈米結構和原本結構下內部的應力變化，進而和光激螢光頻譜量測獲是電激發光頻譜的結果做一個相互對照的探討。 以一層旋塗式玻璃塗佈光阻(Spin-on glass)當作並聯奈米柱絕緣層填充在奈米柱之間的間隙。奈柱發光二極體的電激螢光頻譜顯示，在注入電流範圍在25毫安培至100毫安培之間，其放光頻譜的波長幾乎是固定在同一波長上。這顯示量子侷限斯塔克效應(Quantum-confined Stark Effect)在奈米柱結構元件裡面是被抑制住的。此外，由拉曼頻譜量測分析結果，我們可以觀察到晶格常數不匹配所造成的應力在奈米結構中釋放。

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接觸式影像掃描器中微透鏡之結構製造與模擬分析

影像掃瞄元件被廣泛地應用在我們生活周遭的儀器，例如印表機、傳真機及指紋辨識機，隨著市場需求量的增加，如何大量且精確的生產將變得相當重要。 接觸式影像感測器藉由 GRIN lens array 呈像後可得到一比一且正立的影像，加上他需要較短的光程路徑，使得影像掃描器元件具有體積小且重量輕的特性，但是 GRIN lens 的製作技術及材料被某些大廠商以專利保護。 我們試著利用微透鏡陣列作為接觸式影像感測器的物鏡，來達到大量且簡單的製作過程，由於微透鏡具有製程上的限制，因此有焦距長度上的極限，我們尋找兩種不同材質的折射率差組合來達到較長的焦距，且藉由適當的 aperture 來減少 cross talk 造成的誤差。 我們簡單地製作長焦距的微透鏡陣列，並將實驗上所量測到的微透鏡表面曲率特性作為模擬的參考，再利用光學模擬軟體 ZEMAX

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矽基板應用於發光二極體封裝之熱分析

發光二極體近年來已經大量被應用在日常生活中，舉凡交通號誌燈、戶外顯示板、近年來已成為手機背光源的主流。可以預知，發光二極體在未來的應用上，將逐步取代傳統光源，成為大型顯示器的背光源，甚至進入每個家庭，形成主流的一般照明設備。 但是隨著發光強度越來越大，所需通入的電流也隨之增大，從以往的經驗公式（發熱功率=

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微機電技術之可形變鏡面式可調適光衰減器

光衰減器是光纖通訊系統中用來控制光訊號傳輸的重要元件之一。它提供了許多功能，像是雷射功率的調控；分波多工系統中，不同波段的增益控制與平衡；以及光學元件的過載保護。本論文中，我們提出了一個使用靜電力驅動的聚亞醯胺薄膜製成的微機電光衰減器 　　我們從使用波動光學開始模擬整個系統，並且在光學系統設計軟體（ＺＥＭＡＸＴＭ）中建構我們的模組。接著，我們使用微機電技術製造了一個可形變鏡面來當作此光衰減器的主體。我們藉著熱黏結將此可形變薄膜與一個下電極組裝在一起，形成一個可形變鏡面式光衰減器。當我們施加１８８伏特在此光衰減器時，我們可以量得最大的光衰減為３０.８ｄＢ。由於此鏡面具有幾何對稱的結構，因此跟模擬預期的相當，我們量測到跟極化有關的衰減非常的小。我們也測量了驅動電路的功率損耗，約為１５３毫瓦。因此，由這些測量到的數據，我們認為此可形變鏡面式光衰減器很適合使用在長期的光通訊系統中。

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CMOS製程相容之光纖與矽光子導線高效率耦合器之研究

本篇論文介紹了許多最近以矽為基底的光子導線之發展。因此針對通訊波段，我們提出了一個緊密且高效能的光柵耦合器，可以將光纖內的訊號垂直打入，耦合至平面波導中。但問題在於光纖與光子導線的模態尺寸及形狀都差異過大。因此我們設計了一個長方形的光柵，除此之外，我們在整體光柵結構的一端設計了一個蝕刻溝槽 (trench)，使光耦合到光柵時可往單一方向耦合，抑制另一方向的耦合。我們使用模擬軟體R-Soft來模擬，並取用微基因演算法(micro-genetic algorithm) 進行最佳化設計。

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微鏡片薄膜改進背光模組出光效率

微透鏡(microlens)有很多應用，如光通訊用的聚光元件，成像系統，藉以增加發光元件的出光效率。但是一般常用的光阻熱流方法(Photoresist thermal reflow process)卻可能遇到瓶頸。首先，一般常用的正光阻會遇到覆蓋率低的問題，因為UV光對較厚的光阻曝光與光罩將會有落差。但若是使用負光阻，則會因為負光阻材質被UV光照射後產生的化學鍵，不容易在經由加熱方式改變其圓柱型態。因此我們發展改良式熱流方式來製造微鏡片或是壓印微鏡片的母模。 隨著LCD顯示科技的蓬勃發展，背光模組扮演重要角色，因顯示器出光亮度效率優劣取決於背光模組的好壞，在背光模組中，提升亮度效率的關鍵零組件為稜鏡片(Prism sheets)，又稱為增亮膜(Brightness Enhancement Film，BEF)，它可以使通過擴散片(Diffuser)的光重新聚集藉以提升亮度，兩片BEF可以使亮度提升達120%。但是目前有關BEF的專利大都掌握在3M公司，所以本論文的目的是利用實驗室製作的微鏡片陣列薄膜(Microlens Array Thin Film)提升背光模組的出光效率。 製程結果顯示，比起傳統方式，利用改良式熱流方法，可以得到一個精確的微鏡片尺寸，可以在模擬上精準估計背光源的效率。 實驗結果則顯示，微鏡片薄膜加在背光模組上，可以有效的提升出光效率1.21倍，與模擬所預估相去不遠，而在背光模組視角也明顯提升。故微鏡片陣列適合應用於背光模組中。