臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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本實驗以射頻磁控濺鍍在常溫下沉積n⁺AZO、n-ZnO、i-ZnO、n-MgxZn1-xO及p-CuAlO2等透明導電薄膜，在無經額外熱處理下製作成透明p-n異質接面二極體，分別在商用ITO玻璃基板上及鍍有ITO之PET基板上製作以下四種結構:n⁺AZO/p-CuAlO2/ITO，n⁺AZO/n-ZnO/p-CuAlO2/ITO，n⁺AZO/n-MgxZn1-xO/p-CuAlO2/ITO，n⁺AZO/i-ZnO/p-CuAlO2/ITO，並分別調整p層、n層及i層厚度，研究不同厚度對二極體特性及UV光響應度之影響。 在n⁺AZO/p-CuAlO2/ITO 異質接面二極體方面，分別調整p層及n⁺厚度為100nm、200nm及300nm，並同時製作在玻璃基板及PET基板上共18種二極體。啟動電壓約為0.8V，崩潰電壓隨著p層厚度增加而增加，與n⁺厚度無明顯相關，其整流特性最好者為: n⁺層厚度200nm和p層厚度300nm在玻璃上的異質接面二極體，其整流值在±4V時為 ，其UV光響應度在逆向偏壓-6V 時為 A/W。 在n⁺AZO/n-ZnO/p-CuAlO2/ITO異質接面二極體方面，分別調整p層厚度為100nm、200nm和300nm，及n層厚度為40nm、80nm和120nm，並同時製作在玻璃基板及PET基板上共18種二極體。啟動電壓約為2.0V ，崩潰電壓隨著p層及n層厚度增加而增加。其整流特性最好者為: n層厚度80nm和p層厚度200nm在玻璃基板上的異質接面二極體，其整流值在±4V時為 ，其UV光響應度在逆向偏壓-6V時為 A/W。 在n⁺AZO/n-MgxZn1-xO/p-CuAlO2/ITO異質接面二極體方面，分別調整n-MgxZn1-xO 層Mg摻雜的量，分別為0、0.05、0.1及0.3，並同時製作在玻璃基板及PET基板上共8種二極體。結果顯示啟動電壓和崩潰電壓皆隨著Mg摻雜量的增加而增加，在365nm的紫外光照射下，隨著Mg摻雜量增加，UV光響應度隨之降低。 在n⁺AZO/i-ZnO/p-CuAlO2/ITO異質接面二極體方面，分別調整i層厚度為10nm、20nm及40nm，並同時製作在玻璃基板及PET基板上共6種二極體。啟動電壓和崩塌電壓皆隨i層厚度增加而增加。其整流特性最好者為: i層厚度10nm在玻璃基板上的異質接面二極體，啟動電壓為1.8V，崩潰電壓為-9.9V，其整流值在±4V時為 ，其UV光響應度在逆向偏壓-6V時為 A/W。
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近幾年來，由於化石燃料所帶來的嚴重的環境問題，因此乾淨可再生的替代能源受到公眾關注，太陽能電池成為當前重要課題。而由於便宜的成本，使第二代的薄膜太陽能電池受到注目，甚至是到第三代結合奈米結構材料的高效率低成本太陽能電池，更成為炙手可熱的話題。由於矽奈米線獨特物性，具有低反射率與強的寬頻光吸收，所以矽奈米線結構在新世代太陽能電池的應用上引起相當大的關注。 在本篇論文中主要是為了實現低成本與高效率的新世代太陽能電池，藉由單晶矽奈米線與有機導電高分子作結合之混成異質接面太陽能電池。論文的第一部分將先介紹以金屬輔助化學蝕刻法來製備矽奈米線，此方法具製作過程簡單且快速，低成本且適合用於大面積製作，相較於一些需要在複雜環境下的製程便宜且容易許多，有效降低生產成本。然而，由於金屬輔助蝕刻法當中帶水溶液的製程，矽奈米線會因此聚集而改變形貌，將會造成許多製程應用上的不便，例如欲在矽奈米線上要塗布量子點等結構，然而由於奈米線聚集，可能使量子點無法塗布在每一根奈米線上，使量子點的附著面積大大地降低。因此我們發展了簡單而低成本的方法來改善團簇現象，不需任何昂貴的設備，符合目前太陽能電池製程的需求，其中藉由低表面張力的溶液與提升乾燥溫度處理，成功了改善奈米線團簇的現象，其中長度約為3.5μm的矽奈米線束狀結構的密度從4.06*105 mm-2提昇至10.31*105 mm-2。 接著論文的第二部分，我們首先利用第二章所介紹的矽奈米線與PEDOT:PSS做結合，成功製作出混成異質接面太陽能電池元件。我們發現，具有矽奈米線結構的太陽能電池元件較單純拋光無結構矽晶片的元件效率高出甚多，從原本沒奈米線的0.083%，到有矽奈米線結構元件的3.54%，光電轉換效率明顯提高，幅度將近有3.5%，而這效率的提升顯示來自於矽奈米線的貢獻，提供了低的反射率與大的接觸表面積與，使光的吸收增加以及大的載子分離面積。其後將第三章所探討的解決團簇方法應用於太陽能電池上，發現經過改善的矽奈米線做成的太陽能電池元件，其光電轉換效率從未經過改善的3.81%提升至4.58 %。經過處理矽奈米線，其反射率有下降的現象，波長在400-1000 nm範圍間，平均反射率可以下降至1.5%，而原先沒有經過處理而有團簇情形的矽奈米線反射率高於3%。而改善後的矽奈線由於增加光的吸收以及與PEDOT:PSS接觸介面，使太陽能電池元件的光電轉換效率有效提升。 本論文所使用的製程方法兼具簡單而低成本，不需昂貴的儀器及複雜嚴苛的工作環境，將有助於實現低成本高效率的新一代太陽能電池。
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自旋軌域耦合是一個粒子的自旋與其移動之間的交互作用，自旋軌域耦合會造成能態能量的微小改變，也會使不同的能態之間有所耦合 (包含單重態和三重態之間也會耦合)，進而導致純自旋態不復存在。另外，我們知道三重激發態的能量轉移速率回隨著距離成指數衰退，而單重激發態的能量轉移會隨著距離的負三次方作衰退。在本篇論文中，我們將電子自旋軌域耦合的Hamiltonian中之單電子項之計算寫入開發版本的量子化學計算軟體Q-chem之中。接著會計算以紫質為基礎之予體-鍵橋-受體的三重激發態能量轉移，其中包含了因為電子自旋軌域耦合所導入之單重激發態能量轉移貢獻，藉以研究電子自旋軌域耦合對於激發態能量轉移速率之影響。
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本論文提出步階式數學形式之有限差分模態法來對光柵結構進行模擬並將其與傅立葉模態法(亦稱嚴格耦合波分析法)進行比較。我們的數值結果證實，對於橫電極化的所有情況以及橫磁極化在高導電性與無損金屬材料中，有限差分模態法比起嚴格耦合波分析法會有更好的收斂性和準確性。 對於有限差分模態法，我們考慮任意高階之邊界條件並將其與泰勒展開式結合。在不使所取格點數增加的情況下，我們亦將廣義道格拉斯(Douglas)方法套入使用來加速誤差收斂階數。使用前述技巧，可以對結構的每一層架構出稀疏矩陣並計算出存在於該層之模態所對應的場值分佈以及傳播常數。另外，我們也使用穆哈拉姆(Moharam)所提出之改良穿透矩陣方法來穩定多層光柵或甚至單層光柵層間的矩陣運算。 為了評估此種數值方法的可用性，我們將討論一些光柵的繞射特性，如入射角變化、厚度變化、佔空比變化所造成的影響，以及準確性、收斂性等等。另外，我們也使用結合週期性邊界和吸收邊界的二維有限差分法來與前述方法進行比較。
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在本論文中，我們利用掃描穿隧顯微鏡研究低溫下氧氣分子吸附於量子鉛島之行為。研究中發現氧氣的吸附量在低層數中會隨著量子鉛島的層數呈現雙層震盪。此現象可以歸因於量子尺寸效應。除此之外，氧氣的吸附量亦會被鉛島表面之電子結構所影響，且此影響與表面電子形貌呈現一致的變化。另外，我們亦對附著之氧分子團進行熱穩定性研究。利用人為的定位技術，我們研究了137K到175K溫度區間內氧分子團的行為。過程中發現，氧分子團在150K以下是相對穩定的。然而超過150K之後，部分氧分子團會有聚集行為發生，而特定大小範圍之氧分子團則會消逝於鉛島上。
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在光纖骨幹網路中的光信號傳輸，因為其路徑長且傳輸速率高，容易受到光信噪比劣化與光纖色散之影響。對樹狀架構的光纖接取網路而言，由於其網路拓樸的特性，並無法使用傳統的光時域分析儀找出斷路分支。為了使光纖網路能維持好的服務品質，必須利用簡單且可靠的監測系統來確保其運作。 本論文提出光纖網路的光路監測架構，其中包含兩個部份：（1）眼圖參數監測，（2）網路斷線偵測。前者的內容包含非同步眼圖監測，其可應用在強度調變與同調光通信系統中；此外本論文也提出在被動光纖網路中，上行信號眼圖的監測方法，能夠藉此得到每個封包的眼圖參數。由於干涉式光網路斷線監測系統，可以應用在樹狀架構的光纖接取網路中。因此本論文先以理論推導為基礎，找出系統內參數間的對應關係，並以蒙地卡羅法進行模擬，並探討干涉元件之變異對監測結果造成的影響。
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軟性電子具有可撓曲、重量輕和尺寸薄的特色，是繼半導體和平面顯示技術的下一個新興產業，而其最大的應用市場為軟性顯示技術。然而要製造使用在軟性顯示器中的可撓式薄膜電晶體，因為製程溫度受限於不耐高溫的塑膠基板，因此半導體材料主要使用可低溫生長的氫化非晶矽(a-Si:H)和有機半導體。這些材料的低遷移率和不穩定性使可撓式薄膜電晶體的發展因此受限。在論文中，我們利用聰明切的技術將單晶鍺薄膜轉移至可撓的聚亞醯胺軟性基板上，並且利用低溫製程形成蕭特基位能障源極和汲極，成功製作出可撓式單晶鍺薄膜電晶體。整個低溫製程不會破壞塑膠基板，並且提供了高遷移率的鍺通道和高飽和電流。 當傳統的矽 CMOS scaling 逐漸面對到其極限時，用各種新材料或新結構來增進CMOS性能並且繼續維持scaling的步調，現在這已經是針對未來CMOS發展的重要研究方向。其中同時擁有高遷移率電子和電洞的鍺已經受到很高矚目，並且有希望取代矽使用在22nm 節點製程。然而，鍺要實現在CMOS上還有一些困難需要克服，例如高品質的介面鈍化、低的源極和汲極電阻、適當的閘極介電層等等。 本論文中，我們研究且發展出鍺金氧半元件之結構。利用快速熱退火製程(rapid-thermal-oxidation)在鍺表面生長出高品質的二氧化鍺(GeO2)，並且在上面用低溫原子層沉積(atomic-layer-deposition)三氧化二鋁(Al2O3-O3)來確保二氧化鍺之品質，而且在沉積三氧化二鋁的過程中所提供的臭氧(O3)可再增進二氧化鍺之品質，所製作出的鍺金氧半電容特性曲線不會因頻率而改變(dispersion-free)。為了確認臭氧之效應，我們也製作了利用水(H2O)來當三氧化二鋁(Al2O3-H2O)之氧化物的鍺金氧半電容。另外，我們利用兩步驟退火來活化離子佈植成功製作高開關比率的鍺n+/p二極體，接近1的理想因子也代表此n+/p二極體的缺陷很少。 目前很多研究中鍺的n型電晶體都沒有顯現出其高遷移率的特性。然而，我們利用二氧化鍺鈍化、臭氧處理、兩步驟源極/汲極活化、閘極最後(gate-last)和高介電常數介電質(high-k)製程，在鍺(001)基板上製作出高遷移率之n型電晶體。使用臭氧處理之鍺n型電晶體之遷移率曲線和沒有臭氧處理的相比有較少的庫倫散射(Coulomb scattering)。最後，在施加適當方向的應力後，造成的應變可以造成能帶分裂(band splitting)和電子重新分佈(electron repopulation)，如此一來遷移率可以再進一步的提升。
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由於兆赫頻段的同調聲學聲子兼具奈米尺度波長與高穿透深度之特性，故其可和次表面奈米結構與相似能量之粒子相互作用。兆赫聲學的發展因此可促進物理學的進步，並引發新應用的可能。作者以超快光譜技術進行一系列的兆赫聲學實驗，藉以探討同調聲學聲子與晶體表面的交互作用，此研究的目的在於釐清振動能量如何傳遞並穿越界面。 本論文分三組探討界面，分別為固態/空氣、固態/固態，與固態/液態水界面。作者微觀地評估界面反射對聲子同調性所造成的破壞，藉以瞭解造成聲子散射的主要機制，俾解決長期在Kapitza anomaly議題上的爭論。首先，本文檢視在晶體表面所發生的聲子散射，得出在原子等級平坦的表面，聲子散射的主要型態為鏡向散射。然而隨著表面變粗糙或聲子頻率增高，鏡向散射機率會逐漸下降。本研究發現聲子與界面之交互作用，符合描述波在粗糙界面散射的巨觀理論。此結論定量地證明原子等級表面不平整對於次兆赫聲子散射的重要影響。 次於固態/固態界面所進行的延伸性研究，確認了界面不平整對聲子散射的支配地位。基於此發現，作者對一般固態表面，進行正常-異常邊界熱阻變遷的臨界頻率/溫度估算，其符合過去在低溫熱傳導實驗的觀測結果。在應用的層面上，此研究展示了一個具有原子解析度與非破壞優點的界面粗糙度評估方法，而該方法有助於奈米量測技術突破現今受表面量測與樣品破壞的限制。 由於兆赫音波得在室溫下評估埋藏之界面，因此可以進一步應用在固態/液態水界面的聲子散射行為研究。本文指出，在此界面所量得的聲學頻譜顯現出數個反射低點，與由鏡向散射變遷至漫射的過渡變化。因為連續體彈性理論無法解釋實驗結果，因此可知離散的水分子與其群聚結構對於實驗觀察有關鍵性的影響。鏡向散射變成漫射的過渡變化，揭露了界面鄰近水分子的區域結構規則性。從能量傳遞的觀點而言，散射型態的轉變指出在兆赫頻段，聲子穿透係數由0.1大幅增加為0.88，此特徵暗示了區域氫鍵網路結構與固態/水界面熱傳導的關連性。此外，實驗發現，界面分子膜受激振動能引起聲子共振穿透，此透露出奈米超音波技術具有評估界面水中跨分子作用力的潛力。本研究指出，音波在介面水中的衰減速度小於其在液態水與多晶相冰中的衰減。此外，介面水是由四到五層水分子膜所組成。
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薄膜電晶體長久以來在平面顯示技術扮演重要角色，隨著技術的成熟，顯示器將往更大尺寸、更高畫質的方向發展，傳統的非晶矽薄膜電晶體由於載子遷移率的限制，將無法驅動下一世代的平面顯示器，此外，有機發光二極體由於具有高對比、廣視角…等等好處，未來將有極高機會取代傳統的液晶顯示技術，但由於非晶矽薄膜電晶體在長時間工作之後，其不穩定效應將導致工作電流下降，這將導致顯示器亮度逐漸下降，為商品化的一大挑戰。 氧化鋅具備較非晶矽更高的載子遷移率，且製程可完全相容於傳統非晶矽薄膜電晶體，具備大面積、低成本的製作能力，在這篇論文中，為了提高氧化鋅薄膜電晶體工作電流，我們提出了一種通道局部高參雜的新結構，由理論的計算證實可經由調整通道參雜結構控制元件的臨界電壓，在進一步的實驗中我們製作出了這樣的元件 ，在閘極電壓5伏特，汲極電壓14伏特時，其工作電流高達3.2mA，證實此種結構可提供較傳統的氧化鋅及氧化鋅鎵元件高出許多的工作電流。 由於以往的製程步驟重複性不高，我們更改了光罩的設計，利用電漿輔助化學氣相沉積均勻的沉積絕緣層，有效的抑制住漏電流，並使同尺寸元件的特性均一，此外更改善了以往電流不易飽和以及凸起(over-shoot)等現象，為了更進一步的提升元件穩定性，我們嘗試了不同氧化鋅薄膜沉積溫度、退火溫度，成功的將元件的開關比提升到大於10的9次方，由於氧化物半導體易受外界環境影響，我們也提出了一套保護層的選取法則，並成功利用濺鍍的方式，將沉積保護層對元件臨界電壓的影響成功抑制到1伏特。 在最後，我們利用過去得到最穩定的製程，製作並比較不同退火時間下元件在閘極偏壓之下的穩定性，並導入Stertched-Exponential Time Dependence定量的萃取出元件的生命期，並更進一步的將生命期最長(1.26x106s)的元件在變溫下作穩定性測驗，成功的萃取出元件的活化能 (0.57eV)，利用萃取的這些參數客觀的比較過去文獻，我們製作的氧化鋅薄膜電晶體有過人的穩定性