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微透鏡陣列在發光二極體封裝之分析與應用

發光二極體的特性包含高耐用性，壽命長以及低能源消耗。因為這些特性，發光二極體將可在背光模組以及一般照明取代現有的光源。對於高亮度發光二極體而言，封裝是一個極為重要的因素。封裝最重要的兩個環節即為光學設計與熱管理。我們將會在此論文研究如何提高光學方面的外部效率與均勻度。 在單晶片封裝中，我們使用微透鏡陣列來有效提高光學效率與均勻度，此微透鏡陣列的特性將會利用實驗與模擬結果來了解。藉由考慮到側杯的一次反射，微透鏡陣列的位置將會被小心的設計。在加入此微透鏡陣列後，效率從0.66提升至0.77。而同時，在比較峰對谷值與標準差後也可發現均勻度已經有效改善。 在考慮完單一封裝之後，我們設計一個擁有四個發光二極體的多晶片封裝。每一個晶片與晶片的距離是1毫米。我們藉由研究其中單一綠光發光二極體的均勻度來證明此多晶片封裝系統是可以有效讓紅光、綠光、藍光混光。經由這分析，我們已經得到微透鏡陣列與矽封裝應用在未來的高亮度發光二極體是非常適合的。

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準相位匹配鉭酸鋰紅、綠、藍光倍頻雷射晶片之研製

本篇論文主要分為相位匹配理論之介紹，一維週期性極化反轉鉭酸鋰雷射晶片之研製，以及紅、綠、藍光倍頻雷射晶片之光學量測與特性分析。原理部分闡述非線性頻率轉換與準相位匹配理論。製程部分則剖析數種研製方法，並論述其優缺。我們利用鎳金屬內擴散混合高電壓致區域反轉製程技術於厚度為0.5公釐共熔鉭酸鋰晶片；成功研製出週期為12.78微米、7.76微米、5.15微米之一維與二維週期性極化反轉鉭酸鋰倍頻雷射晶片。至於週期為7微米之一維週期性極化反轉鉭酸鋰光學參量振盪雷射晶片，以及週期為7.76與4.99微米之一維週期性極化反轉鉭酸鋰級聯雷射晶片，亦以前述方法製備。上述週期性極化反轉結構之有效長度皆可達20公釐，足以因應倍頻實驗以及光學參量振盪器架設研究之用。在光學實驗部分，先以波長為1064奈米之奈秒雷射進行綠光倍頻實驗，繼而以實驗室架設之光學參量振盪器做為泵浦光源，進行紅、藍光倍頻實驗，測量並分析雷射晶片之轉換效率。

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具脊狀波導結構之準相位匹配綠光倍頻晶體研究

本篇論文重點在製作出具脊狀波導之週期性極化反轉鈮酸鋰倍頻晶體(PPCLN:WG)，期望可達成微型化高效能綠光雷射之目標。主要分成波導與準相位匹配原理的介紹、晶體製程，以及光學量測。 　　製程部分，介紹質子交換溼式蝕刻法來製作脊狀結構，並採用較低溫的鎳擴散完成波導製程，且在第四章分析波導導光特性。接續介紹本實驗室建立的高電壓致極化反轉系統，詳細說明該架構與模型，並介紹完整製程流程與實驗結果。波導方面，成功製作出最深可達5.5um的脊狀結構，而鎳擴散在800℃、4小時與900℃、1小時皆有良好的傳導TM模態特性。週期極化反轉結構上，可在波導上製作出週期6.7um、晶體厚度0.5mm、有效長度6mm的晶體，寬度可隨波導寬度改變，成功製作出具脊狀波導之週期性極化反轉鈮酸鋰。 　　光學量測部分，首先藉由拋光端面作鎳擴散之定性分析並量測波導特性與觀察光場圖形。倍頻量測上分成兩個耦合系統介紹，最後量測出在1064nm基頻光源峰值強度25.5MW/cm2、平均功率6mW下，有效長度為6mm的倍頻波導有20%的外部轉換效率；而未做波導的bulk區域在峰值強度7.6MW/cm2、平均功率41mW下最高外部轉換效率為1.2%。

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利用區域化表面電漿子共振加強柱狀氧化鋅之放光

在本論文中，我們利用水熱法於金跟銀上合成出高指向性的柱狀氧化鋅。 在第一部分，我們觀察成長於鍍金矽基板上的柱狀氧化鋅。我們發現到金膜上金顆粒有助於氧化鋅的成長。在X光繞射部分，我們發現到此柱狀氧化鋅結構對於(103)面有高指向性。 透過區域化表面電漿共振的效果，成功的提高了柱狀氧化鋅在缺陷部份的放光。 透過金的幫助下，在光激螢光我們觀察到可能光/紫外光的放光比有將近107倍的加強。可見發光的波峰部分，可以觀察到逐漸由570 nm 紅移到 600nm，這是由於金的區域化表面共振散射長波長共振帶所導致的結果。而在陰極電子激螢光部分，也顯示出與光激螢光相同的結果。 第二部分，我們同樣地利用水熱法在鍍銀的矽基板上成長高指向性柱狀氧化鋅。掃描式電子顯微鏡觀察到銀的膜厚與金屬顆粒有正比趨勢。在X光繞射譜，我們發現此柱狀氧化鋅對於(002)面有高指向性。透過光激螢光的分析，銀對於缺陷放光的則加強在波長500nm附近。透過以上分析，我們證實了區域化表面電漿共振與金屬的顆粒大小有很大的相依性，並且根據金屬的顆粒及種類，會分別加強不同波長的放光。 而發光的強度與金屬膜厚的趨勢則是正相關。

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具液晶玻璃態及非晶態有機半導體之双極性載子傳輸特性研究

由於有機材料具有許多有趣的光電特性與應用，因此在近二十年受到相當廣泛的研究。而在有機光電元件中，載子傳輸能力為影響元件特性之重要因素，因此如何提高載子遷移率及發展双極性載子傳輸材料是相當重要的研究方向。在本論文中，我們使用飛行時間量測技術探討有機材料中的載子特性。 我們研究具有液晶相的有機半導體，四聚芴化物(Tetrafluorene)之載子傳輸特性。透過在液晶相對其做分子的配向排列，發現可將材料的載子傳輸率較非晶態薄膜之值提高約一百倍。此外，為了更進一步了解不同的分子排列對載子傳輸機制的影響，我們進行了變溫/變電場的量測，並應用不同之電荷傳輸模型來解釋量測中所發現的一些趨勢。 最後，我們研究一系列具有高量子效率及藍光發光特性之苯並咪唑(Benzimidazole)/芳香胺(arylamiine)化合物，亦發現這些材料具有有趣之双極性載子傳輸特性。

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奈米矽薄膜機械性質及其在薄膜電晶體應用之研究

我們利用電漿輔助化學氣相沈積法在玻璃及聚亞醯胺基板上成長不同氫稀釋比率的非晶及奈米矽薄膜。利用紫外光反射光譜技術與拉曼光譜技術我們獲知薄膜的結晶性以及其本質應力。矽薄膜的彈性模數則由拉伸試驗及奈米壓痕試驗中獲得。 在紫外光反射光譜中，我們發現矽薄膜約從氫稀釋比率為20至30間開始產生結晶，也就是非晶與奈米晶的轉換相點在氫稀釋比率為20至30間；轉換相點與拉曼光譜結果相同，且隨著氫稀釋比率增加，奈米矽的結晶率會隨著增加，氫稀釋比率為90有最大的結晶率為71%。另外從拉曼光譜中我們發現直接沈積在玻璃基板上的奈米矽薄膜呈現張應力，此張應力隨著氫稀釋比增加而增加；但鍍有氮化矽緩衝層上的矽薄膜則呈現相反的趨勢，其張應力隨著氫稀釋比增加而降低。由拉伸試驗及奈米壓痕試驗可以發現其楊氏模數隨著氫稀釋比率變化的趨勢類似，當矽薄膜從非晶相轉變成奈米相時，其楊氏模數會有明顯增加。由拉伸試驗與奈米壓痕試驗，我們可以估計奈米矽的楊氏模數約在110GPa左右。 我們接著將不同氫稀釋比率的矽薄膜，即從非晶到奈米晶一系列的薄膜，應用於下閘極結構之薄膜電晶體中，並探討其電性與穩定性的差異。針對電穩定性的研究，利用偏壓與偏流的方式來測試薄膜電晶體的穩定性。製作的奈米矽薄膜電晶體的臨界電壓約在6V左右，我們發現隨著氫稀釋比率提高，場效遷移率有漸增的趨勢，場效遷移率約在0.22~0.73cm2 V-1S-1，開關比約在105-107之間；且氫稀釋比率為60的薄膜電晶體有最大場效遷移率，可達0.73cm2 V-1S-1。在電穩定性測試方面，我們發現不管是偏壓或偏流的測試，主動層的氫稀釋比率在轉換相之間時，也就是氫稀釋比率為20至30，其薄膜電晶體有最佳的電穩定性。

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影像系統中光斑現象與其抑制之研究

同調光源在影像系統中的應用逐漸受到重視，例如：雷射投影顯示系統，且因為許多元件的表面對於光波長而言是相當的粗糙，因此會在影像上產生許多不規則的暗點及亮點而降低影像的品質，而這種不規則的暗亮點分布就是所謂的光斑。 我們建立一個模擬模型來分析在成像系統中不規則結構所造成的光斑。我們分析的方法除了從理論上的數學推導外，也利用模擬的方式來分析更複雜的情況。本論文分成兩大部分，第一部分是研究光斑的基本特性以及形成的條件，而利用此我們可以進一步討論在顯示器面板上的微結構對於影像的影響；而第二部分我們研究抑制光斑的方法，包含角度分集(angular diversity)及波長分集(wavelength diversity)。 從模擬結果來討論，我們了解如何在顯示器面板上安排不規則微結構，而使光斑現象受到抑制；而且也了解到在許多種顯示器都會產生光斑，不僅止於雷射顯示器。對於在影像系統中設計被動元件用來抑制光斑，本論文提供了定性與定量的理論基礎。

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氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井之光電特性之數值分析

在本篇論文中，我們討論了氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井中的銦含量、溫度、井寬、井與井之間的厚度、井的層數與注入載子濃度對自發發光頻譜的影響。我們利用了帕松和薛丁格方程來求解多重量子井中的位能以及電子電洞在量子井中的分佈，並且利用了疊代的方法來求出帕松和薛丁格方程在此系統中的解，進而來求解在氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井中自發發光強度的大小。而從計算自發發光強度的公式中，我們發現電子和電洞波函數復合的機率，以及電子電洞個別的費米分佈函數對於自發發光的強度有相當大的影響，因此我們將分別討論當我們改變了量子井的物理條件時，那種情況會是造成發光頻譜不同的主因。 而經由模擬的結果我們發現，當我們固定了所有的條件，而分別的改變量子井中的銦含量、溫度、井寬、井與井之間的厚度以及井的層數時、電子與電洞復合機率的大小在多重量子井的發光效率中扮演了一個決定性的角色。而我們認為這主要是由於當我們改變了量子井的結構時所產生的壓電效應，因而影響了載子在量子井中的分佈的關係。然而，當我們固定量子井的結構以及注入的載子濃度，僅僅改變溫度時，電子電洞的費米分佈反而是造成了發光強度不同的主因。而從我 們所發展的程式以及所得到的資訊，我們將能夠去設計或是改善元件的效能。 關鍵詞：氮化銦鎵、氮化鎵、量子井、帕松方程、薛丁格方程、自發發光、發光二極體。

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於氮化鎵上陽極氧化鋁技術之改善及產生表面電漿子奈米金屬顆粒之製備

陽極氧化鋁是一種自組形成的奈米孔洞結構，相較於電子束蝕刻和聚焦離子束蝕刻技術，陽極氧化鋁有許多應用上之優勢。在此研究中，我們成功利用不同電解液，製作出含有不同大小及孔洞間距的陽極氧化鋁結構。我們也利用了陽極氧化鋁當作蝕刻遮罩，製作出具有孔洞結構的二氧化矽薄膜。此外，我們研究出如何在不破壞P型氮化鎵的原則下，於其上製作出陽極氧化鋁結構，我們也利用此種方法將發光二極體表面粗糙化，期能幫助發光二極體的汲光效率。最後，我們利用陽極氧化鋁當作蒸鍍遮罩，製作出金、銀、銅的奈米點，並觀察其在氮化鎵上的表面電漿子特性。

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P型氧化鋅特性分析

我們在全氧的環境下於GaAs 基板上，濺鍍磷摻雜的氧化鋅薄膜，並於之後做RTA處理於800度3 分鐘，成功成長出了P型氧化鋅薄膜，其電阻為0.00096Ω-cm，而電洞濃度達到 2.244 cm-3。並由XPS的分析，推測會形成這樣的結果，主要是因為氧化鋅內部產生 -2 的受體缺陷，並讓參與其中的磷，因為砷元素的摻雜，改變了氧化鋅晶格的結構 -2 的受體缺陷。並與鎵形成acceptor-donor-acceptor 鍵結對，導致電洞濃度的上升，並提昇了P型氧化鋅的材料特性。