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以光學方法評估氮化銦鎵/氮化鎵量子井之品質

在本研究中，首先，我們以Ti:sapphire Laser 之二倍頻 (波長390nm)進行了temperature dependent photoluminescence (PL)、power dependent PL、temperature dependent time-resolved photoluminescence (TRPL)、power dependent TRPL的量測，觀察不同樣品之量子井的特性並比較。 接著，我們以He-Cd Laser (波長325nm) 進行了temperature dependent photoluminescence (PL)、power dependent PL的實驗，比較其結果與以Ti:sapphire Laser 之二倍頻之量測的不同。最後 我們以JSM-6701F的 Scanning Electron Microscope (SEM) 做了cathodoluminescence (CL) 量測，以及以Ti:sapphire Laser 之二倍頻 (波長390nm) 進行了temperature dependent time-resolved photoluminescence (TRPL)、power dependent TRPL之量測。

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氮化銦超快速載子釋能機制研究

氮化銦在近期因為其極小的直接能帶寬而廣泛受到重視(小於零點七個電子伏特)，相對而言，氮化鎵則有著大約三點四個電子伏特的直接能帶寬，氮化銦鎵因此被預期根據不同比例的銦和鎵可使其放射光譜波長範圍從三百七十奈米一直到一千七百奈米，涵蓋了可見光波長的區域(大約四百奈米到七百奈米之間)、，因此氮化銦被認為有極高的潛力應用在發光二極體(LED)燈以及太陽能電池材料的上面。對於氮化銦的各樣載子(帶電粒子)加熱後的動力與釋能的機制了解顯得格外重要。 近代有關氮化銦載子動力學的研究當中，發現氮化銦還擁有許多其他的特性，很小的電子有效質量(零點零四二個電子質量)、相對小的電洞有效質量(零點四二個電子質量)，非拋物線型的傳導帶，電子大量在表面累積的特性，很高的電子遷移率和很高的電子飽和漂移速度。其中有些特性使得氮化銦不只在光電領域，就算在各種需要快速反應的電子設備當中，也成為一種很有潛力的材料。而氮化銦極高的縱向光學聲子能量(73個毫電子伏特)，也使其被預期會有個極快的，低於一百個飛秒雷射的電子釋能時間。然而過去實驗的結果卻不符合理論上的預期，截至2010之前的期刊中所發表的氮化銦的電子釋能時間都高於四百個飛秒，甚至在早期一點的文章有量測到接近於十個皮秒的釋能時間。 對於電子釋能時間的延長有兩種不同的機制解釋，一為熱聲子效應，一為其他電子對於個別電子與縱向光學聲子作用所產生的屏蔽效應。對於氮化銦電子釋能時間遠高於理論預期的原因，早期的文章期刊將其歸因於熱聲子效應，一直到2006年溫氏等人刊登的一篇文章根據一些實驗結果反對了這種說法，並且將釋能時間延長的原因歸於屏蔽效應，至此關於氮化銦釋能時間延長原因的爭論沒有中斷過。此篇論文中將証實氮化銦過長的電子釋能時間是來自於屏蔽效應。並且將發表在藉由降低電子濃度而去除屏蔽效應的影響後卻可觀察到的，符合理論預期的低於一百個飛秒雷射的電子釋能時間。 本論文也將發表關於氮化銦電洞在雷射光激發後在價帶帶底的各種動力學行為的研究，包含其電洞吸能與釋能時間的理論預測和實驗比較。這些研究結果對於氮化銦載子動力學的全盤了解將會有很大的幫助，希望未來氮化銦在各個前述領域的實際應用上將因為這篇論文所做的研究，而能更快預測並且解決因氮化銦載子特性所產生的問題，並且進一步有效的應用其特殊的載子特性，在光電與固態電子領域產生有效的突破與發展。

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以有限時域差分法分析繞射極限與光學相位共軛

本文主要利用有限時域差分法(finite-difference time-domain method)分析消散波(evanescent wave)與繞射極限(diffraction limit)之間的關係。我們用二維有限時域差分法模擬次波長單狹縫繞射(sub-wavelength single slit diffraction)，觀察其穩態下的瞬時波印亭向量(instantaneous Poynting vector)後發現，瞬時波印亭向量的大小會隨週期改變，但方向恆定。與全反射(total internal reflection)消散波的瞬時波印亭向量比較後，我們認為，次波長單狹縫繞射波全部都是傳輸波(propagating wave)，而不存在消散波。我們利用三面的光學相位共軛鏡(phase conjugate mirror)，回溯狹縫寬為次波長大小(2λ/5)的單狹縫繞射，並重新聚焦於維度小於繞射極限的點上。進一步地，我們改變狹縫的截面形狀為高斯函數(Gaussian function)，在狹縫寬為2λ的情況下，得到完美的回溯剖面場型。

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砷化鎵奈米柱之同調聲學聲子行為

我們利用超快雷射暫態反射量測技術在整齊排列的砷化鎵奈米圓柱二維陣列中激發縱向同調聲學聲子並研究其行為。由於奈米柱的邊界效應，產生的音波會被侷限在奈米柱裡，並且音波的傳播行為會受到改變，我們稱此為波導模態。當兩個沿著奈米柱往相反方向傳播的波導模態重疊時，即會產生駐波，我們稱此為振動模態。當奈米柱的長度遠大於其寬度時，其振動模態可以被分類為兩類：軸向延伸模態(extensional mode)和徑向延伸模態(breathing mode)。我們成功地在實驗上觀察到砷化鎵奈米柱的基諧軸向延伸模態以及基諧徑向延伸模態。根據一個簡化的等向性圓柱體模型，我們計算出此兩類振動振動模態之特徵頻率的解析解，並將實驗結果與有限元素分析法模擬結果做比較，我們發現理論計算與模擬結果大致上與實驗結果吻合。另一方面，我們也對實驗觀察到的振動模態的相位進行分析。 為了要觀察砷化鎵奈米柱的波導模態，我們對另一個在砷化鎵奈米柱頂端鍍了十五奈米厚金膜的樣品進行了量測。藉由吸收雷射光的能量，金膜會因為熱膨脹而對奈米柱施以應力，進而產生沿著奈米柱傳播的音波，此音波會將其能量耦合到波導模態，故我們將有機會藉由背向布里淵散射(backward Brillouin scattering)機制觀察到砷化鎵奈米柱中波導模態的傳播行為。根據此實驗，我們可在觀察到兩個頻率為6 ± 1 GHz 和 12.1 ± 1 GHz的額外振盪。為了在定量上解釋此現象，我們計算了波導膜態的色散關係，並且探討了一個用來偵測音波傳播行為的機制，背向布里淵散射。在此論文中，藉由與有限元素法所模擬出來的振動模態場型做比較，我們推測頻率為6 GHz的振盪是來自金膜內由雷射產生的熱應力所耦合到的奈米柱振動模態。而根據計算出來的波導色散關係，我們推測頻率為12.1 ± 1 GHz的振盪是來自於基頻波導模態所造成的背向布里淵散射，而其光學折射率，符合等效介質理論。

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利用氧化鋅奈米結構作為光電元件之抗反射層

由於一維奈米結構具有組成光電元件的可能性，近來此類結構吸引了廣大的興趣。此外，氧化鋅由於電性與光性的特殊性質誠為了近來研究的重要材料之一。但是，對於氧化鋅一維奈米結構與反射率之間相關的完整關係還未被清楚的研究。 我們成功控制水熱法中不同的成長參數得到不同形貌之氧化鋅奈米柱陣列，包含不同的長度以及不同的。我們利用此不同形貌之氧化鋅奈米柱陣列成功得到具有梯度變化的折射率的抗反射層。此抗反射層不只具有寬頻譜的良好抗反射特性，也具有全方向性與對於不同偏極化光的良好抗反射特性。最後，我們將此氧化鋅奈米柱陣列抗反射層應用於氧化鋅與矽基所結合的光電元件上，由於氧化鋅奈米柱陣列可以有效的降低表面反射率，所以光電元件無論在正偏壓亦或是負偏壓下都能夠有較高的光響應。

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高效率與高色穩定度白光有機發光元件之研究

本篇論文的核心是在如何設計適合且簡化之磷光觸發(第三章)以及高效率、高色穩定度(第四章)白光有機發光元件之發光層。除了基本的穩態量測分析，如亮度－電流－電壓以及效率表現，吾人亦使用暫態量測法去鑑定有機元件內載子動態與發光機制(第五章)。 第三章主要是在探討如何利用選擇性摻雜DCJTB於Ir(ppy)3之方法，製作一簡化之磷光觸發發光層。這遠離復合區域之共摻雜層可以在不影響載子傳輸特性的條件下，顯著地提高磷光觸發效率。此結構再搭配一高效率之藍色磷光發光體，即可製作出一於4.5V的驅動電壓(亮度107 cd/m2，CIE色座標(0.293, 0.427))下，可產生外部量子效率為5.51%、電流效率17.4 cd/A與電功效率12.2 lm/W之白光有機發光元件。兼之利用一分隔層來操控發光層內激子的擴散，該元件之色座標偏移量在亮度範圍1000-4000 cd/m2內為(-0.008, -0.006)。 在第四章前半的討論範圍內，吾人著重於探討藍光發光層對於色穩定度之影響。當大電壓降跨過藍光發光層時，會提高載子傳輸與注入對於外加電壓的敏感度。根據飛行時間量測法可知，mCP電子遷移率對於電場有很高的正相關性。因此，在高驅動電壓下，快速增加的mCP電子遷移率與下降之電子能障高度，將會使得具有較薄之藍光發光層元件之復合區域由藍光發光層延伸至綠光發光層。此復合區域之變化再加上薄藍光發光層所造成之較強的三重態-三重態激子淬熄，使得色穩定度更加惡化。在克服此兩個負面因素後，吾人可得一高色穩定度之藍綠光有機發光元件，其色座標隨著亮度由48.7 增加至12700 cd/m2僅些微由(0.256, 0.465)偏移至(0.259, 0.467)。如於此藍綠光結構內導入一紅色磷光發光體，即可製作出一高色穩定度之白光有機發光元件。該元件之色座標在常用之亮度範圍(1050-9120 cd/m2)內，呈現幾乎不變的狀態((0.310, 0.441)-(0.318, 0.446))。而其最大效率可達26.4 cd/A與19.8 lm/W。 於第四章後半，吾人使用與第四章前半所開發之元件架構，並利用選擇性摻雜之概念來設計藍光發光層，而開發出一超高色穩定度之白光有機發光元件。此白光元件之色座標在亮度145-12100 cd/m2變化範圍內，由(0.399, 0.483) 偏移至 (0.395, 0.479)。而在顯示器或照明的常用亮度範圍下(1240-4850 cd/m2)，色座標則由(0.401, 0.481) 偏移至 (0.400, 0.479)。除了在約略100倍的亮度變化下，元件表現出極為少量的色座標改變量((-0.004, -0.004))外，該元件之效率亦可達到34.1 cd/A，且在亮度小於2000 cd/m2的範圍內，效率皆大於30 cd/A。 　　在第五章的討論，吾人利用暫態電激發光量測法，經由分析不同Ir(ppy)3摻雜區域之有機發光元件，可發現Ir(ppy)3在mCP主體內表現出電洞傳導與電子注入之特性。在磷光觸發元件之暫態分析中，吾人觀察到，當關閉外加電壓脈衝後，一不尋常之DCJTB的強度增加。此不尋常之衰減的表現則可歸因為磷光觸發機制的存在。

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矽、鍺與銅銦鎵硒表面鈍化處理之研究

本論文中，探討矽的表面鈍化處理和不同材料表面鈍化處理後的矽與鍺之光激發放光，以及含有表面鈍化層氧化鋁的銅銦鎵硒可增強光激發放光。 有效的鈍化處理存在於低界面陷阱密度和游離電荷的場效鈍化。氧化矽在高成長溫度900℃下因為有較少的界面陷阱密度，所以是有效的鈍化層，氧化鋁捕捉負電荷可提供場效鈍化，此外，非晶矽也可以有效控制游離電荷密度提供場效鈍化。有效的載子生命週期可用准穩態光電導(Quasi-steady-state photoconductance)技術量測。光激發放光強度和表面復合速率有關。非晶矽鈍化層在高溫退火結晶化後，因為有較大的能隙所以鈍化效果變差。GeO2長在鍺上後，光激發放光量測出用波長457nm的雷射光比和用波長671nm的雷射光，有相對較高的光強度。 銅銦鎵硒太陽能電池效率已經可高達19%以上，很多文獻已經研究利用光激發放光分析缺陷。銅銦鎵硒的放光特性和成分組成有極大的關聯，一般解釋銅銦鎵硒的放光頻譜有兩種轉移機制，一是DAP復合，即在低溫時的Ed能階到Ea能階的躍遷，二是BI復合，即在高溫下導電帶的電子到Ea能階的躍遷。透過模擬，我們可以連結表面復合速率和載子濃度的關係，而氧化鋁當銅銦鎵硒的鈍化層可有效減少界面缺陷，因此光激發放光增強。

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TCAD技術於OLED之議題：物理調變&電特性探討

摘要: 本篇論文著眼於運用TCAD – ATLAS技術，對最為科學家們廣為探索之有機物質--- tris-(8-Hydroxyquinoline)-aluminum (Alq3)、N,N '-bis(1-naphthyl)- N,N '-diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine (NPB)所組成之OLED進行物理特性調變並研究其電性特性，並於文末嘗試變換電洞傳輸層(HTL)物質作更進一步之模擬。 藉由電流特性偏移及曲度改變所表現出之現象觀察，探討有機電激發光二極體之物理機制。同時，邏輯性地比對實驗數據分析物理模型，定下模擬成果結論。 旨在探討以下兩種物理機制：1. 此一元件結構下，單一載子傳輸模型之假設的準確性。藉由僅調變鋁之功函數數值，並固定其它有機材料物理特徵，作turn on Voltage及J-V curve shift之觀察；2. 其次，藉由調變Alq3之LUMO(保持HOMO相對於真空能階之維持不變)，再次觀察電性turn on Voltage及J-V curve shift之變化。 藉由經Marquart Algorithm fitting後之元件物理特性，伴隨OLED能帶指數函數陷阱之模型，探討模擬結果與實驗之間之差異。 關鍵字：電洞傳輸層、功函數、turn on Voltage、LUMO、HOMO、真空能階、Marquart Algorithm、指數函數陷阱模型

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有機發光二極體在低溫暨變溫環境下的暫態電激發光及電性特徵現象研究

本論文著重於有機發光二極體(Organic Electroluminesence Display, OLED)中載子傳輸的特性研究。 根據有機材料中載子以跳躍(Hopping)方式進行導電的假設下，利用降低環境溫度、增加電場強度、縮放元件尺寸和改變有機層厚度的實驗方式，觀察溫度與載子遷移率、電場與載子遷移率以及電壓電流的依存性。為了從暫態電激發光現象（Transient electroluminesence）實驗中求得載子遷移率，我們採用簡化過的方程式來近似整體電激發光延遲時間（Electroluminesence delay time），根據此算式推算出Alq3中的電子遷移率(u)。

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不同結構之氮化銦鎵/氮化鎵量子井發光二極體,氮化釓鎵和氮化鉻鎵薄膜之光學與材料特性研究

本論文主要分為兩大部分:第一部分是分析氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井的光學與材料結構特性，透過拉曼光譜、X光繞射、光激螢光光譜、光激螢光激發光譜以及時間鑑別光激螢光頻譜，來研究其材料結構與光學特性；第二部份為分析氮化釓鎵和氮化鉻鎵薄膜的光學特性研究。 在第一部份裡，我們研究在氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井中對最靠近頂端的兩層位障寬度做變化 (由25埃、40埃、75埃、150埃和300埃) 之樣品的光學及材料結構特性。首先由X 光繞射實驗，我們可以得知樣品的量子井厚度以及量子井中的銦含量。接著，經由光激螢光光譜、光激螢光激發光譜以及時間鑑別光激螢光頻譜，我們可以得到位障寬度較薄的發光效率較高且衰退時間較小。實驗的結果對於將來光電元件發光效率的增加可提供一個重要的貢獻。 在第二部份中，我們探討有機金屬氣相磊晶系統成長不同濃度的稀有元素(釓和鉻)參雜在氮化鎵上形成氮化釓鎵和氮化鉻鎵薄膜，稱之為稀磁性半導體。稀磁性半導體獨特的優點是能顯示出材料的鐵磁性可共存在固體電子與光電子學間。在此，我們利用拉曼光譜和光激螢光光譜初步了解氮化釓鎵和氮化鉻鎵薄膜的光學特性。