臺灣大學光電工程學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
選擇卷期
已選擇0筆
- 學位論文
在本論文中主要在討論拉塞福散射對氮化銦鎵，氧化鋅，氮化銦薄膜之研究及相關分析。由於有相近的晶格及熱擴張系數，氧化鋅被考慮用來當作三族氮化物磊晶成長的基板材料。因此我的工作包含了使用有機金屬化學氣相沈積磊晶技術在晶格匹配的氧化鋅基板上成長氮化鎵磊晶層的分析及研究。然而，在使用有機金屬化學氣相沈積磊晶在氧化鋅上成長氮化鎵仍有數個數個議題待解決。其中一個是氧化鋅基板的熱穩定性，鋅及氧原子擴散到磊晶層板，這會造成氮化銦鎵較不佳的品質。拉塞福背向散射可分析出在氧化鋅上成長的氮化銦鎵及氮化鎵薄膜厚度及組分，此外，還可發現鋅原子的擴散及磊晶層的表面粗度。透過室溫的光激發螢光檢測及二次離子質譜儀縱深剖面能譜，我們可得到樣品的光學及結構特性。我們接下來繼續探討在磊晶時的成長溫度對氮化銦鎵的結晶品質影響，利用拉塞福背向散射得到氮化銦鎵及氮化鎵薄膜厚度及組分，並由分析中可得在磊晶層中較低的成長溫度可得較高的銦含量，此模擬結果同樣在室溫的光激發螢光檢測及拉曼光譜中得到驗證。 氧化鋅是下個世代最熱門的光電材料，有著3.3eV的寬能隙，以及60meV的激子侷限能，加上可以與鎂及鎘共同組成三元或四元化合物，與氮化鎵基的光電材料相類似。我們探討氧化鋅薄膜成長於業界常用的藍寶石基板，由拉塞福背向散射分析我們可得氧化鋅薄膜的厚度及組分；再由室溫的光激發螢光檢測，穿透譜，橢偏儀，進階探討其光學性質。 氮化銦材料擁有0.7電子伏特的直接能隙，被預期能運用在高頻高速的元件和光通訊的材料上。我們利用分子束磊晶來成長氮化銦。其中，電漿槍的瓦數對氮化銦的電性有極大的影響。 另外，從光激發螢光實驗及拉曼光譜可得其光學性質。我們同時也利用拉塞福背向散射分析出在不同的電漿槍強度下的氮化鎵薄膜厚度及組分，並在近一步研究出在較低的電漿強度下可得較均勻的薄膜。
- 學位論文
本論文目的為模擬、設計、製造、量測一個光纖束/毛細管束元件。該元件能將打入元件的一個點雷射光源轉換成360展開之雷射參考線。該雷射參考線能應用於土木工程之準直標線的光學需求。首先，四個旋轉式及兩個固定式之雷射墨線儀專利在第一章中回顧討論。接著為設計光纖束而簡化的四個變數在一系列光學模擬中最佳化。這四個變數為:1.單根光纖中的核心數2.各個核心的直徑大小3.核心之間的間距4.核心/包覆層之材料折射率。模擬結果顯示出，光纖束元件的雷射散射表現大部分取決於單根光纖中的核心數以及核心/包覆層材料折射率。各個核心的直徑大小不影響其表現。核心間的距離在相等於核心直徑時最佳化。當最佳化之參數於模擬中取得後，有三種毛細管束被製造並且量測比較結果。分別是UV膠填充15mm管徑、UV膠填充8mm管徑，未填充中空之8mm毛細管束。三者中前二者因管束內毛細管排列不平行造成投射出之雷射線變寬並且模糊，只有第三個中空8mm毛細管束維持原有之雷射線寬並有良好均勻度表現，並且有簡單便宜之製造方法而能符合預期目標。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
在可攜式裝置如手機上面整合各式各樣的功能與應用已經成為科技市場的主要研究發展趨勢，而投影系統即是其中之一。我們設計製作出一個約硬幣大小的微投影系統，此系統可以和手機結合以投射簡單文字或數字等訊息以符合個人隨身使用之應用如顯示來電號碼等，並達到微小化設計、低功率消耗與低生產成本等需求。 我們所設計的微投影系統主要元件有四：一顆高功率綠光LED作為投影光源，一個錐狀導光管用於收集光束並改變光場形分布、一片微小穿透式液晶面板可顯示所需文字訊息當作影像來源，和一組投影透鏡光學系統。導光管和投影透鏡的設計模擬軟體是TracePro®和ZEMAX®。在本論文中，總共討論並展示了三代的設計與實驗結果，並針對出光流明數與漏光情形進行分析。
- 學位論文
利用介電質材料製作微碟共振腔的主要目的是為了避免昂貴又費時的半導體製程系統。此外，改用介電材料也希望能把操作頻率往高能的可見光區轉移，使微碟共振腔的應用更為廣泛，而不僅限於光通訊使用的紅外光頻段。近年來，已成熟的微電子和積體電路製程技術例如:電漿輔助式化學氣體相沉積系統（plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD）、光蝕刻微影(photo-lithography)，與反應式離子蝕刻系統（reactive ion etch, RIE）相較於分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE) ，皆能提供較為快速與便宜的製程技術。而且，半導體不僅在製程設備較為昂貴，半導體塊材也比介電材料之塊材成本更高。 二氧化矽(silicon dioxide, SiO2)已被許多研究認為可用在微共振腔的材料例如：微碟、微柱體、微球體等共振腔，甚至結合於光子晶體(photonic crystals)，形成迴音廊模態(whispering gallery mode, WGM)的結構。然而，二氧化矽的折射率限制了結構能侷限的場量，尤其是在共振腔尺寸縮小時。為了避免低侷限係數(confinement factor)，本研究採用氮化矽(silicon nitride, SiNx)因此材料的折射率為 2.05，比二氧化矽高約0.6。氮化矽有許多與二氧化矽材料類似的特性，所以氮化矽可在製程方面代替氧化矽製作出埋覆硒化鎘�硫化鋅（Cadmium Selenide�Zinc Sulfide, CdSe/ZnS）膠狀量子點微碟共振腔。本論文利用電漿輔助化學氣體相沉積、電子束微影(e-beam lithography)、反應式離子蝕刻、和濕式蝕刻，已製作埋覆氮化矽埋覆硒化鎘量子點微碟共振腔直徑約為10 μm。 迴音廊模態可在兩種材料製作出的結構形成，利用光激發螢光量測(micro-photoluminescence)架構，並以532 nm雷射光源激發。雖然Ｑ值(quality factor, Q-factor)不高，但在初步的量測下，利用埋覆式製作的結構表現出高量率的多模態共振。此外，利用同樣方式製作了被動氮化矽微碟共振腔顯示了超過104Ｑ值。這代表應用於微共振腔上，氮化矽是個很適合的介電材料。此論文的主動氮化矽微碟共振腔未能由 far-field 收光方式量出頻譜因發光訊號太弱，很合理的跟理論搭配解釋了高侷限係數的量測必須要由 fiber-coupling 方式量頻譜。
- 學位論文
近年來，氮化鎵及其奈米結構由於其良好的材料特性，受到各大研究團隊之研究與注目。但製作高發光強度且低漏電流特性之氮化鎵奈米結構發光二極體，仍受到材料與製程方面上的諸多限制，如缺乏快速且低成本之奈米結構製作方法，以及難以製作在奈米尺度下之並聯電極，使其難以運用在產業應用上。為了解決上述問題，有團隊利用鎳金屬奈米遮罩(nickel nanomask)、傾斜式銦錫氧化物沉積(ITO grown by oblique-angle deposition)等方法製作奈米結構之發光二極體，然而其漏電流過大以及發光效率低等缺點，依然有待解決。 在本篇論文中，我們發展一種嶄新且具有實用價值之奈米小球微影術，並以電漿輔助化學氣相沉積成長二氧化矽作為奈米柱側壁絕緣層，再以化學機械研磨法製作金屬接觸層，來製作高效率且低生產成本之奈米柱結構發光二極體。 利用本文所提出之方法，可有效解決過去奈米結構發光二極體在漏電流過大，且製作成本高之問題。在電性上，我們的奈米柱結構在-5V下僅有4.77nA的漏電流，理想因子(ideal factor)為7.35，其發光強度在注入電流密度為32A/cm2 (20mA)時有高達6807mW/cm2的表現。與其他團隊所提出之奈米結構製程方法相較，我們所發展之化學機械研磨法可得到最高之光強度輸出以及最小之逆向漏電流值。這結果顯示我們所提出之奈米小球微影術與化學機械研磨法可提供一種低成本的方式來製作高效能氮化鎵發光二極體，且此方法十分具有發展性與產業上之利用價值。 本文並提出了藉由抑制量子侷限史塔克效應(quantum confined Stark effect)，來提高發光二極體內部量子效率之奈米柱結構。我們比較了平面結構與奈米柱結構之發光二極體，在溫度以及電流不同下之電激發光頻譜特性。我們發現奈米柱結構之發光二極體在室溫下隨著電流增加，其光子能量近乎常數，而平面結構之發光二極體則有藍移之現象。此結果顯示藉由奈米球微影術製作之奈米柱結構，可有效抑制因氮化鎵晶格常數不匹配之應力所造成之量子侷限史塔克效應，增加電子與電洞波函數之間的空間重疊比例，並進而有效增加氮化鎵發光二極體之內部量子效率及其發光效率。
- 學位論文
藉由使用三維空間之有限元素法，我們進行埋入奈米粒子造成侷域性表面電漿子及散射效應對於氮化銦鎵太陽電池效率提升之數值研究。論文中使用AM1.5G之太陽光譜作為光源。太陽電池結構上由五個層狀區域所組成，依序是作為表面電極之氧化銦錫透明導電層、n型氮化鎵層、i型氮化銦鎵吸光層、p型氮化鎵層，並使用鋁作為底部電極。我們將銀奈米粒子埋入氮化銦鎵層，藉由侷域性表面電漿子共振及散射之產生，可使高場強分佈於氮化銦鎵層中以提升光吸收。為了計算含銀奈米粒子太陽電池之光吸收與載子傳輸問題，我們利用模擬工具COMSOL來進行三維空間有限元素法之計算。數值模擬結果顯示侷域性表面電漿子之共振可藉由改變奈米粒子尺寸、形狀和週期來調整其共振波長。同樣地，散射效應亦可藉類似方法控制至所需之波長。最後，我們整合出太陽電池因埋入銀奈米粒子之助，整體能量轉換效率大約從10.87 %提升至13.98 %，亦即約有29 %之相對提升。
- 學位論文
本論文中，利用 PECVD 隨著調變(甲烷+矽甲基烷)/(甲烷+矽烷+矽甲基烷+氬氣)的流量比成長，得到富矽碳化矽與富碳碳化矽薄膜。由 XPS 的分析發現在相同的流量比下，成長碳化矽薄膜前通入氬氣降低腔體氧氣的含量，可以把碳化矽薄膜的氧含量從 33.9 降到 9.2%，得到比較高的矽含量以及比較低的 Igraphite-like sp2 C-C /Idiamond-like sp3 C-C 比值，有效降低薄膜電阻率以及捕捉載的缺陷密度。由於薄膜碳含量的增加，造成 PL 光譜隨著組成比提高產生藍位移以及 FTIR 頻譜中 Si-CH3 從896 cm-1位移到 922 cm-1 。經由熱退火處理後由於 Si-Si/Si-C 鍵解量改變以及晶格不匹配，分別造成薄膜厚度變薄以及薄膜表面略為龜裂。當流量比從 90%降低 70%時，碳化矽薄膜片電阻從 4.8×108 (Ω/sq.) 降低到3.18×106 (Ω/sq.)。 本研究亦利用磊晶富矽碳化矽薄膜成功製作了富矽碳化矽的發光二極體元件，其結構為 Al/p-Si/i-SiC with Si-nc/n-SiC/ITO。經由增加基板溫度從 300oC 到 650oC優化薄膜結晶性且組成比不隨薄膜深度改變，使得熱退火過程中避免氧原子侵入到碳化矽薄膜。高機板溫度磊晶元件可分別增強元件輸出功率從 5.4 nW 增加到 22.7 nW、優化能量轉化效率由 1.6×10-8 增加到 7.2 ×10-8以及提高外部量子效率由 1.6×10-7 增加到 2.5×10-7。EL 頻譜分析得到此富矽碳化矽發光二極體為中心波長570 nm 譜寬約 240nm 的橘黃色光源。
- 學位論文
本論文中，我們利用數值模擬計算金奈米柱、金奈米環、金奈米 球殼在其侷域表面電漿子共振模態時的散射、吸收截面積以及單位體 積散射、吸收截面積。其中，金奈米柱、金奈米環、金奈米球殼的模 擬結構及尺寸皆著重在現今製程容許度以及合理之波段範圍。數值結 果顯示金奈米柱的吸收截面積及散射截面積小於金奈米環及金奈米球 殼。而在單位體積散射、吸收截面積的計算中，金奈米柱則為三者中 最高，金奈米環次之，金奈米球殼則為最低者。 我們另外計算了金奈米顆粒在溶液或組織中的隨機指向分布狀態 所產生的效應，可以發現在隨機指向分布時的金奈米顆粒的侷域表面 電漿子共振強度會依其模態所對應的軸向幾何對稱性而有所衰減，另 外，藉由改變金奈米環的高度，我們有效設計一個金奈米環，使其在 隨機指向分布的狀態下，其散射、吸收截面積衰減的效應能有效的減 小。
- 學位論文
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半導體為材料，但是仍然有許多的問題與困難需要解答與突破，因此，我們將針對目前的許多挑戰做研究。我們會利用各種不同的光學量測系統得到更多的材料特性。在第三章，我們利用布里淵散射光譜量測氮化鎵，氮化銦鎵以及不同鋁含量的氮化鋁鎵之布里淵位移頻率。藉由聲子縱波與橫波的位移頻率進而算出聲速，然後利用克里斯托夫方程式得到其彈性常數。藉由拉曼散射中，縱向光學聲子的位移量來判斷估計出不同氮化鋁鎵材料中的鋁含量，並用X光繞射譜來分析樣品內部的材料結構以及結晶性的好壞。在第四章，利用同步輻射X光吸收光源精細結構頻譜圖探討參雜濃度不同的碳化矽樣品中，矽原子跟鄰近碳原子的距離變化，也討論參雜濃度對拉曼光譜的影響。在第五章中，我們量測的是不同溫度生長方向的氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井發光二極體之光電性質，由變溫光激螢光光譜了解其發光現象，然後利用時間鑑別光激發光頻譜，來測定樣品的衰退時間。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
為了應用有機發光元件於固態照明用途，我們優化發光場型與微金字塔陣列膜。我們藉由電磁理論計算有機發光元件發光層的發光場型，再貼附微金字塔透鏡陣列，用光線追跡的方法探討膜層厚度所造成之發光場型和微金字塔底角關係。並進一步使用高折射率基板及截頭微金字塔陣列提升發光功率及正向亮度。由光線追跡方法得知，發光層Alq3厚度越高，場型半高全寬越大，利用微金字塔陣列提升的功率比和亮度比越高。且當場型半高全寬和基板折射率越大，我們必須使用大底角的微金字塔增進正向亮度。一般而言，微金字塔底角60度有較高的功率比，底角45度則有較高的亮度比。在基板折射率1.72，Alq3厚度90 nm時，有機發光元件貼附微金字塔陣列有最佳的耦合效率56%。 截頭微金字塔可更進一步增進有機發光元件的功率和正向亮度。在全佈滿的情況下，半高微金字塔陣列有最佳的功率增益效果，而高於四分之三原本高度的截頭微金字塔可用作提升有機發光元件的正向亮度。