臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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本論文中，我們藉由光激發光的激發方式，觀察到鍺的直接能隙和非直接能隙的放光現象，同時我們探討兩者之間競爭性的發光復合機制。 高濃度磣雜N型的鍺可使電子的費米能階往高能量移動並使得直接能隙的放光有所增加，高濃度磣雜P型的鍺可減少直接能隙與非直接能隙的能帶差，累積更多的電子在直接能隙並產生增強放光的現象。無論是直接能隙或非直接能隙都可藉由物理模型去加以模擬並解釋。 外加雙軸張應力可減少直接能隙與非直接能隙的能帶差，或者降低直接能隙與費米能接的差，而累積更多的電子在直接能隙並產生增強放光的現象。藉由物理模型得到的能帶值和藉由理論計算出的能帶值兩者相當吻合。 在降低溫度的光激發光實驗，利用SRH模型及Thermal quenching 模型，提出電子電洞可經由缺陷非輻射復合，而使得放光的總強度減少。
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本論文研究利用原子層沉積技術(Atomic Layer Deposition, ALD)和水熱法(Hydrothermal synthesis)所成長的氧化鋅奈米柱陣列(Nanorod arrays, NRAs)於不同晶種層，與氧化鋅奈米柱陣列在異質接面發光二極體(heterojunction LED)的應用，同時還有研究二氧化鋯(Zirconia, ZrO2)奈米粒子結構的可見光螢光激發光譜(Phololuminescence spectra, PL spectra)。 在第二章，控制旋轉塗佈的參數和熱退火處理製作出摻鉺氧化鋅奈米柱，且他們具有強烈的1.54微米紅外線發射光譜。利用該合成方法所合成氧化鋅奈米結構所具有的優勢是能夠進行大規模生產，最低要求的裝備和產品同質化。從螢光激發光譜的測量結果發現，鉺離子被成功地摻入進氧化鋅裡。此外，我們遵循同樣的過程製備摻鉺氧化鋅薄膜。在1.54微米具有增強發光強度的摻鉺氧化鋅奈米柱可期待被利用於光電器件和光通信的應用。 在第三章，我們利用原子層沉積技術矽基板上成長兩種不同的氧化鋅晶種層：一個是在氧化鋅晶種層和矽基板中間插入25奈米氧化鎂，另一個是沒有氧化鎂夾層。氧化鎂夾層被證明是有益的，它可以增加氧化鋅晶種層的平均晶粒尺寸。在螢光激發光譜中, 氧化鋅晶種層的發光品質也提升藉由使用氧化鎂夾層。此外，氧化鋅奈米柱成長於在兩個不同的晶種層並對它們的性質進行研究。結果發現，使用氧化鎂夾層, 氧化鋅奈米柱的表面型態會增強, 同時近帶隙(near-band-edge, NBE)發光強度也會提升。期望這章可以提供一個簡單和低溫度的方法去製造高品質的氧化鋅, 且在光電奈米元件的應用。 在第四章，我們結合原子層沉積技術和水熱法製作出氧化鋅異質接面發光二極體和氧化鎂電流阻擋層。當正向偏壓增加，來自氧化鋅的電激放光(Electroluminescence)強度有顯著增強，並在室溫下觀察到。此外，結合原子層沉積技術和熱退火處理製作出氧化鋅鎂奈米柱在 p型氮化鎵上形成異質接面發光二極體。在室溫下，光譜中約370 nm處有氧化鋅鎂的電激放光。此章的結果有助於未來實現氧化鋅短波長發光奈米器件。 在第5章，均勻分散奈米氧化鋯旋塗直接在矽基板。樣品分為兩部分：氧化鋯奈米粒子和氧化鋅奈米氧化鋯奈米複合材料。經過退火，對氧化鋯奈米粒子和氧化鋅奈米氧化鋯奈米複合材料的可見光螢光激發光譜進行了研究。因此，期望這些氧化鋯奈米結構未來可以有潛力應用於新型環保發光材料。
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本篇論文以溶膠凝膠法研究以一無毒性製程製備P及N型氧化鋅透明導電薄膜，探討不同退火氛圍：氧氣、氮氣與真空下，對P及N型氧化鋅薄膜的特性影響。 第一部分為P型氧化鋅透明導電薄膜的製備，前驅物溶液以醋酸鋅為溶質溶解於2-丙醇溶劑中，並添加乙醇胺作為穩定劑，藉由醋酸胺、硝酸銦共摻雜的方式製備P型氧化鋅薄膜，於不同退火氛圍：氧氣、氮氣與真空中，僅在氧氣退火後的氧化鋅薄膜呈現P型的導電性，其電洞濃度、電阻率與載子遷移率分別為+1.58×10^17cm^-3、55.11Ω•cm與0.72cm^2V^-1s^-1。 第二部份為N型氧化鋅透明導電薄膜的製備，前驅物溶液同樣以醋酸鋅為溶質，2-丙醇為溶劑，搭配乙醇胺作為穩定劑，摻雜物則以硝酸銦為主。藉由探討不同的摻雜濃度 (0.75%、1.00%、2.00%、3.00%、5.00%)以及不同的退火氛圍：氧氣、氮氣與真空，對N型氧化鋅特性的影響以得出最佳的結果。實驗結果顯示，於摻雜濃度2.00%，氮氣退火後的N型氧化鋅薄膜有最佳的電性，其電子濃度、電阻率與載子遷移率分別為-1.35×10^18cm^-3、2.62Ω•cm與1.77cm^2V^-1s^-1。另一方面，當摻雜濃度2.00%的N型氧化鋅薄膜，經由第一次的氮氣退火以及第二次的真空退火後可使電性再次提升，其電子濃度、電阻率與載子遷移率分別為-2.34×10^19cm^-3、2.16×10^-2Ω•cm與12.33 cm^2V^-1s^-1。
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本篇論文中，首先，利用無遮罩濕式蝕刻方式在矽基板上蝕刻出具調控結構形貌的奈米線陣列，此奈米線結構在波長200奈米-850奈米擁有極低的鏡向反射(<0.1%)。此種顯著的抑制反射歸因於其有優越的抗反射性質，如全方向性，非極化敏性。此奈米線結構也可以有效的抑制散射反射。此種優越的抗反射表現是因為在空氣和奈米線之介面以及奈米線和基板間粗糙介面的幫助，可提供較低的表面奈米線密度以及提供梯度的漸變折射率。矽奈米線的拉曼訊號可以比拋光過後之矽基板的訊號提高超過400倍，再次確認此種奈米線可以增加光的吸收和萃取效率。此第一部份之研究提供了光與奈米結構的交互作用之情形，並可貢獻在不同的結構優化和光電元件上。 其二，晶圓般大的奈米線陣列擁有階層結構，此階層結構包含了奈米線和介面的微米起伏結構，在一次蝕刻製程步驟下完成。以上述結構為基底擁有設計結構之太陽能電池展現出優良的光捕獲特性，如寬頻譜工作範圍，和廣角性在外部量子效應和反射譜中可觀察出。比拋光的矽和傳統奈米線結構，此種含有階層狀之結構存在較好的光電特性，其短路電流密度為32.7 mA/cm2，其轉換效率為11.25 %。此提升之光電特性表現可由理論之有限差分時域方式證實。此一光捕捉現象利用此奈米和微米表面粗化結合之單晶矽太陽能電池在此部分被呈現。 第三，有抗反射性的心殼狀矽奈米線外包覆著二氧化矽，在濕試蝕刻下和退火之過程完成。此心殼狀有好的光捕捉特性如寬頻譜工作範圍，廣角性，和非極化敏性，可歸因於從空氣至基板有平緩的漸變折射率。藉由調變心殼之間的體積比，我們可以得到光侷限的區域不論是在奈米線下的矽基板或是心殼狀中心的矽奈米線，此結構之設計可以助益於平面型或半徑型之p-n介面的太陽能電池結構。此一光管理之現象可被用在奈米的光伏元件中。 最後，粗糙之氧化鋅摻鋁薄膜可被用來提升光的內部散射進而提高光在串聯之矽(非晶矽/微晶矽)薄膜太陽能電池之吸收。透過模擬的優化工作，找出在1.5微米厚度之微晶矽上下電池的吻合電流密度，此轉換效率可比擬3.5微米厚度之微晶矽擁有未粗化之氧化鋅摻鋁薄膜。此模擬之結果可由實驗元件之證實。在較薄的主動層之中可以有更大的提升光散射並由有限差分時域區域方式證實。此一概念和技術在此研究將會使下世代薄膜太陽能電池獲得很大之助益。
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在適應性光學裡，微透鏡陣列是用來探測和分割入射波前成小部分，將波前集中在Shack-Hartmann 波前感測器上的影像感測器（CMOS）。在這篇論文中，我們呈獻出利用熱回流所製造的各種長焦距（毫米範圍）微透鏡陣列結構的製造方法。為了延長焦距，我們使用聚二甲基矽氧烷覆蓋在我們微透鏡陣列的玻璃基板上。由於聚二甲基矽氧烷和微透鏡陣列界面之間的折射率差異小，因此入射光的折射角度比較小而光線集中在較遠地方。此外，其他特定的焦距可以透過修改折射率的差異。長焦距的微透鏡陣列製造出來後，可以跟影像感測器結合在一起建立成一個 Shack-Hartmann 波前感測器。長焦距的微透鏡陣列在測定每顆透鏡的波前平均坡度可提供更高的靈敏度而波前感測器的空間解析度會因整個探測器之透鏡數目的增加而提高。因此，高的靈敏度和空間解析度使準確性變得更好。實驗結果對系統進行了討論和對長焦距、短焦距以及商業的感測器做比較。
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在本篇論文中，我們利用三維的時域擬譜法(pseudospectral time-domain technique)去模擬及探討幹細胞的光學特性。由於幹細胞(stem cell)是生物體內具有分化能力的細胞，在分化的過程中，幹細胞內的染色質(chromatin)會產生結構和分佈上的變化。我們建構了一個簡單的細胞模型，模擬不同數量染色質的散射光場分佈。我們的主要目的是想瞭解幹細胞在分化過程中，染色質結構及分佈上的改變與散射光場變化之間的關係。
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光學同調斷層掃描術已經成為一個活躍的領域，具有取得活體生物組織及工業上微觀結構之三維斷層影像的功能。因此，本論文開發出具有寬頻及高亮度特性的光學同調斷層掃描術光源，經由提高掃描光源的頻寬及輸出功率以改善光學同調斷層掃描術的縱向解析度及信雜比，而且近似高斯波型的光譜形狀更可達成縱向影像畫素間之低串音。對於高亮度光源的發展也可應用於固態照明產業，以滿足日益增長的能源節約技術的需求。 在白光光源的研發上，我們成功地以共抽絲雷射加熱基座生長法開發出纖心直徑10微米的摻鈰釤釔鋁石榴石雙層纖衣晶體光纖。採用中心波長446奈米的藍光雷射二極體做為激發光源，而鈰及釤離子經吸收藍光後，分別放出中心波長560奈米的黃光及618奈米的紅光，經調整三顏色的比例，可獲得亮度高達4.5x109 cd/m2 且光通量為6.2流明的白光點光源。依據白光頻譜經模擬調整光纖長度及離子濃度最佳化後，演色性係數及相對色溫可達83及5427 K。將此光源耦入直徑200奈米的多模光纖，輸出功率及耦光效率可達4.8毫瓦及36.8%，此白光點光源適用於生醫內視鏡的應用及長距離具方向性的固態照明。 在光學同調斷層掃描術的研發上，我們成功產生中心波長及半高寬分別為560微米及90奈米之寬頻光源。為有效擴展光源頻寬，以電子槍側鍍的方式摻入釤離子，經生長後可將寬頻擴寬超過100奈米，其空間中的縱向解析度可達1.38微米，縱向影像畫素間之串音，對相鄰畫素為-22.5 dB，對第二與第三非相鄰畫素各為-32.6 dB及-41.3 dB，可應用於細胞生物組織結構或工業製造的微觀結構的量測。在增加輸出功率方面，以高反射端面鍍膜及熱退火處理方式，有效地將輸出功率提升76%。採用中心波長446奈米的藍光雷射二極體做為激發光源，可產生高達13.3毫瓦之寬頻輸出光，有效地提升光學同調斷層掃描系統的信雜比。而且以直接耦光的方式，在SMF-28輸出端可得到46.6微瓦，可進一步提升光學同調斷層掃描系統的橫向解析度至2.8微米。由小信號增益實驗量測結果可知，在86毫瓦功率激發下，可使波長532奈米的信號光強度-22.2 dBm，產生4.2 dB的小訊號增益。未來可在晶體光纖兩側端面鍍上高反射光學膜，達成Ce3+:YAG晶體光纖雷射的開發或開發綠光波段的光放大器。
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近年來，氮化鋁和其它相關的半導體奈米線吸引了眾人目光在它獨特的特性上。許多報告指出，奈米材料的光學特性和它的結晶品質、成長軸向、結構缺陷、表面缺陷有相當大的關連性。在我們作的研究中，我們著重於單根奈米線在光學特性上的分析，像是偏振方向相關和奈米線尺寸相關的拉曼頻譜研究。為了成長出高品質的氮化鋁奈米線樣品，我們使用熱化學氣相沈積法來成長出低缺陷和筆直外形的奈米線。由掃描電子顯微鏡(SEM)，X-ray頻譜儀(XRD)，高解析穿透電子顯微鏡(HRTEM)量測儀器和散射能量頻譜儀，分析單晶結構的氮化鋁奈米線。 在將成長後的奈米線轉移在另一塊鍍有金方格的基板後，我們使用微米拉曼系統來研究在單根奈米線上的拉曼散射。在這一部份，偏極方向相關的單根拉曼散射研究詳盡地被呈現。在理論模擬方面，不同拉曼模態的強度是個別對應於其拉曼張量的。對於纖鋅礦(wurtzite)結構，光源偏極方向(電場向量)和晶軸方向(拉曼張量)之空間對應關係，是由兩種變數(θ & β)組成的方程式。其中，θ 是光源偏極方向對奈米線長軸的夾角，β是光入射方向對短軸的夾角。另一方面，從偏極拉曼頻譜獲得的實驗值可以用來和模擬結果作比較。 根據奈米線的外觀和其它特性，例如長寬比大約30:1的奈米線，與塊材結構的比較下，光學特性的表現有些差異。因此，我們使用不同半徑的奈米線來量測拉曼散射頻譜。我們發現到，當奈米線的直徑小於158奈米，將表現出特殊的光學現象。由於尺寸的因素，拉曼散射強度被明顯地增強。這是只有在幾百奈米尺度以下才能觀察到的特殊現象，可做為將來在開發奈米元件，像是奈米波導或是奈米雷射時的依據。
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本篇論文藉由數值模擬來探討石墨烯奈米帶電晶體閘極微縮的表現。石墨烯因為具有極高的載子遷移率，因此被視為可能達到兆赫電流增益截止頻率的高頻電晶體理想選擇之一。但由於石墨烯缺乏能隙，導致電流開關比過低。石墨烯奈米帶電晶體的實驗結果已可達到極高的電流開關比。因此本篇研究藉由有限元素分析法，解二維泊松漂移擴散方程式，來建立石墨烯奈米帶電晶體的模型，與實驗結果有高度的擬合，並進一步探討石墨烯奈米帶電晶體高頻運作的潛力。模擬結果發現藉由閘極微縮，石墨烯奈米帶電晶體截止頻率可以超過一兆赫，並仍擁有足夠的電流開關比。因此石墨烯奈米帶電晶體可以是邏輯應用的理想選擇之一。
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本論文中，探討背面接觸式結構與銅銦鎵硒型太陽能電池，以模擬的方法進行研究，建構模型並嘗試改良其結構。 傳統矽晶太陽能電池的結構一般皆為正面接觸式，改用背電極可使電池入光面的陰影區域減少，光吸收區域增加以達到提高短路電流的功用。再者，因為接面全在背面的緣故，入光面的低接面複合速率可以很容易的達成，因此背電極型太陽能電池有大於20%的高效率。 利用雷射參雜的好處有很多，尤其是可以簡單的做到選擇性重參雜而不需要用到微影技術，另一方面是，它的製程環境是在室溫之下，與傳統熱擴散法比較下來，不會有熱應力影響。雷射參雜目前主要應用在太陽能電池的部分有，形成正面射極與背面場、背電極型太陽能電池、雙面照光式太陽能電池，等等。 銅銦鎵硒型太陽能電池目前已經被廣泛的使用，唯其緩衝程材料多使用硫化鎘，鎘對於環境與人體皆有蠻大的壞處，因此找到了硫化鋅做為替代，論文中探討了緩衝層對於銅銦鎵硒型太陽能電池的影響，以及兩種緩衝層材料的比較。 最後一種結合矽與銅銦鎵硒的新型異質結構太陽能電池為主要的討論對象，
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