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氧化物半導體薄膜電晶體接觸電阻之研究

氧化物半導體近年來相當迅速地發展，因為其同時具有透明、可室溫成長、高載子遷移率等等有趣特性，使得氧化物半導體具有許多應用上的高度潛力，其中又以非晶態氧化銦鎵鋅具有高均勻度、低製程溫度與再現性佳等優勢，為目前最被看好應用在顯示器工業的氧化物半導體材料，甚至有機會取代現有的非晶矽薄膜電晶體。 電晶體元件中，源極、汲極的導體電極與主動層半導體接觸，是一個標準的金屬─半導體接面，常會形成能障，降低甚至破壞元件的應有的性能，因此定量出介面的接觸電阻並設法避免接觸能障是相當重要的。 在本論文中，定量研究了非晶態氧化銦鎵鋅與各種電極材料之間的接觸電阻。首先，以TLM測詴結構量測分析了非晶態氧化銦鎵鋅與鉬、鈦、銅以及氧化銦錫電極之間的特徵接觸電阻率，比較不同電極材料的差異並探討載子濃度造成的影響，並分別探討了接觸型態、熱退火處理以及電漿處理的效應。接著，使用並討論了結合TLM與CER的量測架構以及一維與二維CBKR測詴結構分析萃取特徵接觸電阻率的方法，同時討論各種測詴結構與量測方式應用於氧化物半導體薄膜電晶體的實用性。論文的最後，應用了前面對於接觸電阻的各種結果，實際製作出使用不同接觸電極技術的非晶態氧化銦鎵鋅薄膜電晶體元件。

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以全向量虛軸有限元素波束傳播法分析脊形、槽形 與V形表面電漿子波導

此篇論文利用全向量虛軸有限元素波束傳播法分析研究表面電漿子波導，討論的結構包括脊形波導、槽形波導及V形波導。針對不同的結構參數我們計算波導之有效折射率、傳播長度、模態場型以及色散關係。對於具有一薄層低介電質材料介於金屬和高介電質材料之間的脊形波導，討論不同薄層厚度對於傳播模態的影響。對於槽形波導中，討論在槽中間填充不同分佈的高介電質材質時，對於模場的侷限性和傳播長度的影響以及在不同寬度或厚度的高介電質材質對於減少損耗的可能性。對於具有有限高度和厚度的金屬之V形波導，討論不同金屬層厚度對於通道電漿子模態和楔形電漿子模態特性的改善。

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多模干涉分光器之改良設計

本文探討截角式、加高式、結合式等三種特殊多模干涉一對多(1×N)分光器。所謂截角式是考慮多模波導寬度有變化，加高式是考慮多模波導高度有變化，而結合式則是同時考慮截角與加高兩種變化。模擬結果顯示前兩種變化加在多模波導的入射區時都可以提升多模干涉分光器的傳輸率及減小不均勻度，而且元件的干涉長度也可以縮短；第三種結合式則有兩者加成之效果，其中尤以指數截角加高式為最佳。 為研究上述形狀變化對導光模態的影響，本文以上述之指數截角加高式多模干涉分光器為主，並分別研究其橫向電場模態與橫向磁場模態的傳輸率，結果顯示波導寬度變化僅對橫向電場模態有較為明顯的改善，而波導高度變化則對橫向電場與磁場兩種模態都有明顯的改善。 最後本文又分析一階梯式二維多模干涉分光器。由於其光場有近似之解析解，因此本文提出一優值函數，並調整元件參數使優值函數最佳化，再以此元件參數作為三維光束傳播法模擬之用。模擬結果顯示兩者之誤差範圍約在5%，可以節省許多三維光束傳播法的運算時間。

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藉由貴重金屬產生之表面電漿共振效應增強參鉺氧化鋅奈米柱陣列於1540奈米之放光效率

光通訊領域中，參鉺材料由於其4f能階躍遷可導致1540奈米波段的放光，而此波段於光通訊領域為具有最小能量損耗之常用通訊波長。因此我們可利用簡單的化學方法合成單晶的參鉺氧化鋅奈米線於鍍上貴重金屬之矽基板上，更藉著制定電子結構以及光激發光量測的分析結果來加以研究其放光機制以及如何增強其放光效率。 第一部份中，我們藉由鍍金後產生的表面電漿共振效應，為參鉺氧化鋅奈米陣列於1540奈米波段之放光提供增強的媒介。由於金產生之表面電漿共振效應可導致氧化鋅缺陷放光增強，而使得更多能量藉由與鉺之能階共振而傳導致鉺離子產生放光的增強。 在第二部份中，則是利用鍍銀後產生的表面電漿共振效應來研究是否仍可增強參鉺氧化鋅奈米陣列於1540奈米波段之放光。此外，為了研究氧化鋅缺陷濃度與傳遞至鉺離子能量多寡之關係，將藉由高溫退火的方法來增強氧化鋅之缺陷濃度並研究此法對參鉺氧化鋅奈米陣列於1540奈米波段之放光影響。 在本研究中，我們證實了表面電漿共振與金屬的顆粒大小、形狀、間格有很大的相依性，並且不同種類的金屬，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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氮化銦鎵/氮化鋁銦量子井在拉伸應變下各向異性光極化特性之數值模擬分析

在本篇論文中，我們探討了極性"c'平面氮化銦鎵/氮化鋁銦量子井在拉伸應變下的發光及極化特性。並深入討論不同合金含量、井寬以及注入載子濃度的影響。 我們利用了帕松、薛丁格方程以及k·p法來求解量子井中的位能以及電子電洞在量子井中的分佈，並且採用疊代的方法來求出這些方程在此系統中的解，進而求得此系統量子井的自發性輻射、發光極化率、及光增益。我們發現此系統之量子井在拉伸應變下，激發光有極化特性並且為橫磁極化光。經由計算模擬結果我們也發現，量子井在受到拉伸應變以及位障中特定的鋁濃度下，因為材料接面處的等效極化電荷趨近為零，所以可以有效抑制史坦克效應並且增加電子和電洞波函數復合的機率來提升發光效率。研究中更進一步發現相較於ㄧ般氮化銦鎵/氮化鎵量子井，在拉伸應變之氮化銦鎵/氮化鋁銦量子井中的光增益大量提升且有較低的臨界載子密度。我們的研究指出拉伸應變之氮化銦鎵/氮化鋁銦量子井具有潛力應用在奈米柱光子晶體結構的橫磁模態邊射型雷射。

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背光源為發光二極體之抬頭顯示器的設計與應用

目前市面上的電子產品皆以縮小體積為目標，而許多電子產品含有光學系統，因此，縮小光學系統所佔體積是相當重要的一個環節。我們可以利用反射式光學改變光軸方向而縮小光學系統的體積來達成目標，而反射式光學更有低色散、無像差等優點，適合運用在縮小系統體積上。 另外，此光學系統需要極高亮度的背光源，我們用最近很熱門的白光發光二極體作為光源，且發光二極體具有高效率、壽命長、廣色域且價格便宜等優勢，利用此一光源使我們達成系統所需的亮度。 本論文中以抬頭顯示器為主題，再分為影像系統以及背光源兩部分，這兩部分皆使用反射式及折射式光學。第一部分為如何使用單一訊號源達成一個同時具有抬頭顯示器與儀表板功能的可調式汽車抬頭顯示器系統。第二部分為，如何達成一個能使抬頭顯示器影像能清晰且亮度夠的背光源，且其背光源厚度不超過10mm。

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具奈米結構之氧化鋅光電元件特性分析

摘要 自從1970 年代發生能源危機以及現今環保意識的抬頭，可回收再利用的能源越來越受重視，其中以太陽能電池的應用最為廣泛。在太陽能電池方面目前有幾個問題有待被解決其中包含:界面反射率、寬廣化的吸收頻譜、入射光的接收角以及元件內載子復合等等所造成的問題。過去幾十年內，為了提高矽基(Si)為主太陽能電池的效率，發展出一套利用化學濕蝕刻的方式，在太陽能電池的表面製造出具有週期性的粗糙化結構、倒金字塔結構以及蜂窩狀結構，使得太陽能電池表面材料的折射係數形成漸進式的變化以及造成入射光有效的被元件捕捉，進而降低表面的反射率。然而由於化學濕蝕刻容易受到濕度和溫度的影響，所以很難利用化學濕蝕刻成功的製作出具奈米結構的光電元件。 在太陽能電池轉換效率方面，目前以利用多層接面結構的砷化鎵(GaAs)為主的太陽能電池效率最高，但由於其製作步驟繁複且材料成本昂貴，所以在應用上還是以矽基(Si)為主要的太陽能電池材料。而在太陽能電池的光接收角改善方面，目前技術上是利用太陽光追蹤系統來控制入射光保持在接近垂直入射以達到吸收能圓的最大化，但是太陽光追蹤系統卻需要消耗額外的能源進而導致能源的浪費。至於在元件內的載子復合問題，主要是藉由材料品質的改善以及材料與金屬接面的材料重參雜來增加載子的生命周期。然而，傳輸路徑的過長也會使得載子在傳遞到金屬的過程中被缺陷復合的機率提高。基於以上的問題，我們提出利用結合寬能隙材料氧化鋅(ZnO)以及矽基(Si)， 製作出具有寬廣且平坦吸收頻譜的光電元件，接著再利用最佳化的奈米小球鋪排技術，使光電元件的光響應和接收角都有大幅的提升。 同時，我們還利用鋪排奈米小球的技術以及蝕刻製程，製作出在材料接面上具備奈米結構的n-GZO/a-Si(i)/p+-Si 異質結構光偵測器，由於奈米結構可以有效的降低表面反射率以及表面型態較接近圓柱狀，所以此元件具有較高的光響應以及廣接收角的特性。除此之外，我們還發現在奈米結構的元件中其載子傳輸時間較短，而較短的載子傳輸時間可以降低載子在元件內被復合的機率，進而有機會造成較高的光響應。最後，具備奈米結構的光電元件擁有較高的光響應、寬廣的接 收角以及較快的載子傳輸時間，其在太陽能電池的應用上具有相當大的潛力。

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有機光電半導體：載子傳輸特性及光電元件應用之研究

有機薄膜已被廣泛的應用在有機發光二極體或有機太陽能電池等光電子元件的主動層材料中。本篇論文中我們將探討單一小分子有機薄膜或混層薄膜結構，以及高分子混層薄膜的載子傳輸特性，研究結構對於有機光電子元件效率表現的影響。第一部份將討論兩種以不同分子構形所組成之有機半導體混層結構，分別為平面形分子搭配球形分子(NPB:Alq3)；及平面形分子搭配四面體形分子(NPB:Bebq2)之組成。本部分中以時間暫態飛行量測法(Time-of-Flight; TOF)，配合Poole-Frenkel模型分析其電子與電洞之載子遷移率以及傳輸特性，目的在深入探討有機混層結構中的載子傳輸機制。第二部分中，首先我們以TOF分析四面體形分子Bebq2在改變蒸鍍速率下之載子遷移率以及傳輸特性之變化，並使用Bebq2作為有機發光二極體之元件發光層以及電子傳輸層，結合此鍍率控制的方式以增加有機發光二極體之電流效率以及元件壽命。近年來，以P3HT及PCBM混層結構為主的有機太陽能電池在太陽能領域中已被廣泛的研究與發展。第三部分中我們將探討P3HT與PCBM的比例分配對此混層結構的載子遷移率以及電荷傳輸特性的影響。在提升PCBM比例的過程中我們發現PCBM的叢集有助於提升P3HT的聚集與結晶，進而提升此混層結構中電子與電洞的載子遷移率以及提升元件之光電流。另外由實驗中我們可以發現加入過量的PBCM將會使電子與電洞的傳輸特性被PCBM叢集所主導，破壞了其異質結構特性，而形成較平坦的表面形貌以及較差的元件特性。

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同步輻射X光吸收光譜對銻化銦,碲化鎘及碲化鎘鋅的研究和相關光學性質分析

同步加速器光源是二十一世紀尖端科學研究不可或缺的實驗利器，已廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等基礎與應用科學研究，因而被稱為現代的「科學神燈」。 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。 拉曼散射與紅外光譜是在研究半導體材料的晶格振動，我們可以藉由晶格的振動來判斷研究的材料或樣品的品質和成分，由於拉曼散射實驗與紅外光譜是非破壞性的光學量測技術，非常的方便且不需繁雜的事前準備或樣品處理，所以我們著重二者的應用，將所研究的樣品經由拉曼散射實驗與紅外光譜做初步的瞭解與分析，可以幫助我們在樣品的結構、成長或各種變因上做調變，有效而且快速的提供正確且有用的資訊。

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微製程技術與光學系統之整合設計與應用：有機可形變面鏡與微透鏡陣列

在本篇論文中，我們利用微製程技術發展並製作一個有機可形變面鏡 (organic deformable mirror) 和一個微透鏡陣列 (microlens array)，並展現整合此二元件和一般光學元件後，用來發展微小光學系統的潛力。 發展有機可形變面鏡的過程中，我們利用聚亞醯銨 (polyimide) 來製作一具高度可撓性的薄膜，使薄膜具有低的楊氏系數 (Young’s modulus, 小於10 GPa ) 和低的殘餘應力 (residual stress, 藉由挑選和基板之熱膨脹係數符合的薄膜材質可小於5 MPa)，薄膜表面鍍有鋁用以反射或聚焦入射的光線，藉由施加在薄膜(鋁)和下電極間的電壓，可使此有機可形變面鏡因為靜電力吸引而下凹產生曲率，並藉此電壓來控制其度數 (diopter, m-1)，製作出來的有機可形變面鏡有低驅動電壓和大位移量的特性 (約只需150伏特的電壓,即可達到20-diopters)，這使得此有機可形變面鏡有些特殊的應用，例如，在本篇論文中，我們用它製作一兩百萬畫素的薄型自動對焦鏡頭模組；另外，我們也推導出一個解析的模型來預測，當使用不同材料來做有機可形變面鏡時，特定鏡面度數下所需施加電壓的大小。除此之外，我們利用馬達驅動的位移平台、顯微鏡和自動對焦的演算法 (Tenengrad) ，發展了一套自動系統,用以量測製作出來的有機可形變面鏡之楊氏系數和殘餘應力。 在微透鏡陣列的發展過程中，我們提出了兩個製程技術用以提升微透鏡陣列的特性。其一是“邊界局限法”,此方法可以製作出同時具有高填充率和小半徑曲率特性的微透鏡陣列。實驗結果顯示，每個微透鏡的高度是22 μm直徑是48 μm而間距只有2 μm，我們也可以藉由這個方式來製作具有隨機曲率分布的微透鏡陣列；另一技術是透過PDMS覆蓋層來增加微透陣列的焦距，一般來說，由熱回熔(thermal reflow) 技術做出的微透鏡陣列,因受限於熔化光阻和基板間的接觸角，焦距長度有一定的限制，此技術可使直徑240 μm的微透鏡之焦長延長至2.1 mm (約原本的三倍)，這兩個方法使我們在設計微透鏡時有更多的彈性。 最後，我們希望這篇文章可以啟發相關的研究人員，並對後續的發展有些許貢獻。