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發光二極體內不同後生長條件對氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構之電子顯微術材料特性研究

在製作氮化銦鎵/氮化鎵量子井發光二極體的長晶過程中，p型氮化鎵鋁的電子阻隔層和p型氮化鎵層所使用的高溫環境能優化量子井的內部量子效率。在成長p型氮化鎵鋁的電子阻隔層和p型氮化鎵層的過程中，量子井會因為高溫熱退火而使它重整銦聚集結構並達到加強載子局部化效果．除此之外，較弱的載子局部化會造成樣品有較低的內部量子效率． 在本研究中，我們以高解析穿透式電子顯微鏡術、應變分析模擬軟體、X光繞射分析儀、氮化銦鎵半導體雷射 (406nm)激發量測隨溫度變化的螢光頻譜，觀察不同樣品之量子井的特性並比較。

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使用有機金屬氣相沉積及分子束磊晶技術成長三五族氮化物半導體

在本論文中，我們首先報告使用有機金屬化學氣相沉積技術在r-面(1-102)藍寶石基板上成長無孔洞的a-面(11-20)氮化鎵薄膜的結果。為了改善a-面氮化鎵薄膜的晶體品質，我們在長晶的過程利用流量調變的技術。藉由流量調變技術，X光繞射量測結果顯示其搖幌曲線的半高全寬可以明顯的降低。另外經由原子力顯微鏡或薄膜厚度輪廓測度儀的量測結果可以得知樣品表面形態的粗糙度也可以降低。這裡所提到的流量調變技術指的是在成長氮化鎵薄膜時交替的開啟及關閉鎵原子源，然而整個成長過程並不改變氮原子的流量。在這樣的長晶技術下，我們發現最佳化的流量調變週期為分別開啟及關閉十秒鐘的三甲基鎵氣流。高鎵環境成長是達到無孔洞a-面氮化鎵薄膜的主要條件，在如此高鎵環鏡成長條件下，關閉三甲基鎵流量時候時仍然持續供給的氮原子可以使得化學計量達成鎵氮比為1:1條件生長，而且鎵原子也可以在這段期間藉由遷移而達到較平的表面。因此，a-面氮化鎵樣品的晶體品質可以明顯改善。 另外，除了使用流量調變技術之外，我們也結合了側向磊晶再生長的技術。然而，不管有沒有使用側向磊晶再生長的技術，我們都可以發現使用流量調變方式成長出來的a-面氮化鎵樣品的c-或m-mosaic條件都顯著的改善。使用側向磊晶再生長技術，若又搭配使用流量調變的技術，則在10 x 10微米平方範圍內的表面粗糙度可以由1.58奈米降低至0.647奈米。藉由光激發螢光量測結果，我們可以斷定使用流量調變技術成長的a-面氮化鎵有較佳的光學特性。另外，使用流量調變技術成長的a-面氮化鎵樣品也有較好的拉伸應變釋放。 除此之外，我們在n-型氧化鋅上成長p-型氮化鎵以製造異質接面型的氧化鋅發光二極體。為了降低後續成長p-型氮化鎵時所經歷的高溫熱劣化，p-型氮化鎵的成長是選用分子束磊晶技術而非高溫成長的有機金屬化學氣相沉積技術。我們使用p-型氮化鎵/n-型氧化鋅二極體的電流電壓量測結果來判斷p-型氮化鎵的p-型摻雜是否有效。藉由改變不同鎂蒸發源的溫度，我們發現只有當溫度大攝氏430度時，才有較好的電流整流效果。接著我們量測p-型氮化鎵/n-型氧化鋅二極體的電流激發螢光頻譜。這個非常寬的螢光頻譜包含了紫光、藍光、橙紅光、紅光及近紅外光等。然而，我們並沒觀測到預期中的近能隙邊緣紫外光頻譜。究其原因乃為p-型氮化鎵材料之高能隙尾態吸收，只有能量較小的光子可以透過此p-型氮化鎵層而被偵測。

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染料敏化太陽能電池元件結構及新型有機染料之研究

由於染料敏化太陽能電池具有元件結構及製作相對簡易、材料成本低廉，且光電轉換效率良好等優點，目前已經成為太陽能電池研究課題中的重要方向之一。染料敏化太陽能電池基本結構包含了透明導電基板、奈米多孔性二氧化鈦薄膜工作電極、染料、電解質、以及白金對電極等五個部分，每個部分對元件整體效率皆有極重要的影響。本論文針對染料敏化太陽能電池中的透明導電基板、奈米多孔性二氧化鈦薄膜工作電極以及新型有機染料進行了有系統的研究與分析。 本論文首先探討了氟摻雜氧化錫透明導電基板的表面紋理結構對染料敏化太陽能電池元件效率的影響。我們對六種不同的透明導電基板進行了表面形貌與光電特性量測，將具有不同紋理結構與霧度的透明導電基板應用於染料敏化太陽能電池元件中，並對染料敏化太陽能電池元件，進行電流-電壓曲線、光譜響應曲線以及電化學阻抗頻譜量測，且比較不同紋理結構透明導電基板對元件效率的影響。 接著，本論文分析了不同結構的奈米多孔性二氧化鈦薄膜工作電極對染料敏化太陽能電池元件效率的影響。我們對五種不同顆粒大小的二氧化鈦奈米顆粒進行了表面形貌、光學穿透率與霧度等量測。並使用此五種不同大小的二氧化鈦奈米顆粒，搭配組合成二十種不同結構的奈米多孔性二氧化鈦電極，應用於染料敏化太陽能電池元件中。對各種染料敏化太陽能電池元件，進行了電流-電壓曲線、頻譜響應曲線以及電化學阻抗頻譜量測，且比較不同結構的奈米多孔性二氧化鈦薄膜電極對元件光電轉換效率的影響。 最後，我們研究了三類的新型有機染料，對此三類的新型有機染料進行了完整且系統性的光物理特性分析，並將這三類新型有機染料應用於染料敏化太陽能電池元件中，進而量測元件的電流-電壓曲線、頻譜響應曲線以及電化學阻抗頻譜，並探討此三類新型有機染料分子在染料敏化太陽能電池元件光電特性上的表現。

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應用狹縫波導結構控制絕緣上矽波導之極化相依性

在本論文中，一種狹縫波導結構已被成功運用來解決設計基礎絕緣上矽的波導原件中，所衍生極化相依性的問題。藉由精確控制狹縫波導的極化相依性，在此發表一個由狹縫波導構成，極化不相依的雙通道定向耦合器。在垂直狹縫的結構下，原件耦合區域長度可小至23.13 μm 並同時達到消光比大於22 dB以及1-dB頻寬大於100 nm的絕佳效能。而在水平狹縫的結構下，原件耦合區域長度可小至27.33 μm 並同時達到消光比大於27 dB以及1-dB頻寬約200 nm的絕佳效能。對於以上兩者其製程誤差的容忍度也有著墨探討。 更進一步的，先前章節中所發表的極化不相依耦合器，已被應用於實現一個由絕緣上矽狹縫波導所構成、極化不相依的跑道型微環狀共振器；並可藉由狹縫波導幾何結構的最佳化過程，以於寬頻寬範圍內維持一個無極化模態色散的運作。二種相互垂直的極化模態其頻譜響應不僅在操作波長相同，並且於C-band及L-band範圍內的共振波長差，如果是在以垂直狹縫結構來設計元件下可小於0.1 nm，而在以水平狹縫結構來設計元件下可小於0.25 nm。此元件的自由頻譜範圍可以達到大於10 nm ，並同時維持一個小於 30 μm的緊密原件尺寸。就目前所知，這是第一個以狹縫波導結構設計的微環狀共振器，可以達到如此無極化模態色散的絕佳效能。

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在伽瑪射線照射鈮酸鋰基板上研製脊形方向耦合器

本論文探討伽瑪射線照射鈮酸鋰基板製作脊形光波導，藉以改善脊形外觀結構，並研究其對光場及電光調變特性的影響。 在脊形結構製作方面，使用純苯甲酸及含有已二酸之混合酸兩種不同質子酸源，在相同條件下利用氫氟酸與硝酸之混合酸進行溼式蝕刻，以完成脊形結構。同時，亦在相同的伽瑪射線照射劑量下，比較不同質子酸對脊形結構所造成的影響，以及比較不同的伽瑪射線照射劑量對脊形外觀的變化。實驗數據顯示採用伽瑪射線照射162.5krad且以純苯甲酸作為質子酸源之組合，在蝕刻8小時後，可獲得脊形的深度為4.472μm，深寬比為1.3。 在元件應用上，以製作脊形結構方向耦合器為例，實驗結果顯示經伽瑪射線照射過之元件可縮短耦合長度8.2%，表示耦合效應因伽瑪射線照射而增強。在電光調變部份顯示其半波電壓降低37.94%，訊熄比提高46.54%。證實伽瑪射線可有助於鈮酸鋰積體光學元件之改善。

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有限時域差分法之軟體架構與應用

本篇論文試圖引入物件導向來重新設計有限差分時域法之架構，並應用於實際結構。 由於在傳統推導的公式下，各種元件難以分離運作，多數實做皆採用程序式寫法。 程序式寫法之優點為易於將數學公式程式化，相對代價則為在模擬條件不同的情況下，程式需要大幅改寫才能適用。 本論文論述將馬克士威方程式重新分割並拆解為不同程式片段之方法，並予以實作。 為了在實作中良好組合各元件，我們自行設計了一組新的設計模式單次裝飾器。 利用此設計模式能對主要元件自由進行方法擴充，覆寫，和委任。 最後此實作被實際利用在幾個色散電漿子介質結構的模擬。

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三葉草型微機電可調變Corner Cube Retro-reflector (CCR)光學回射器

本論文擬以Corner Cube Retro-reflector (CCR)來設計一光學回射器元件。藉由調變反射面鏡來破壞回射之條件，以此作為訊號調變器，可以用來傳送圖形或文字，產生動態之圖像。利用傳遞的光資訊可以同時擁有時間上及空間上的編碼(即動態之金鑰圖案)，如此便可建構具備高隱密性、高安全性的光學式的身分識別系統(Optical ID)。

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可與微機電元件作單晶整合之多功能熱電偶微感測器

微感測器如壓力感測器、加速度計、流量計為常見的微機電元件。隨著微機電製程與技術的進步，微感測器朝向多功能與尺寸微小化發展。 熱電偶是根據席貝克效應所製作的元件。本研究針對洪(2009)設計的四種型態熱電偶元件：重疊型熱電偶、非重疊型熱電偶、加長非重疊型熱電偶以及對稱型熱電偶，進行基本工作效能實驗、定溫變壓與定壓變溫實驗以及變換環境氣體（二氧化碳）組成實驗，探討其作為感測器的效果。 本研究實驗結果，四種型態熱電偶元件輸出電壓變化與加熱電流呈正相關。重疊型熱電偶與加長非重疊型熱電偶在固定加熱電流與環境溫度條件下，輸出電壓隨環境真空度增加而有上升的趨勢；而在固定加熱電流與環境氣壓條件下，輸出電壓則隨環境溫度升高，有增加的趨勢。 根據本研究成果，熱電偶元件可與其他微機電元件如陀螺儀製作在同一晶片上整合，作為多功能感測環境溫度、氣壓變化的微感測器使用。

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二氧化鍺鈍化層之研究與超薄等效氧化層之鍺金氧半元件製備

在光電產業中，鍺元素因其相對於矽較小的能隙(Bandgap)，能更有效的吸收遠紅外光，因而在三五太陽能電池中也扮演著非常重要的角色。因此，鍺的表面鈍化(Surface passivation)技術也變得相當重要，而二氧化鍺因為可以有效的減少界面缺陷(Interface defect)及固定電荷(Fixed charge)，被認為是一個非常合適於鈍化鍺表面的材料。在此實驗中，鍺金氧半電容原件被製造來幫助我們區分影響光激發螢光量測的兩個因素：(1) 界面缺陷及(2) 固定電荷。另一方面，在電性量測中，可以發現在常溫中電容因頻率改變而導致的變動非常小，表示我們的二氧化鍺鈍化層有很好的品質和界面特性。最後憑藉high-low frequency capacitance method的計算，我們可以發現成長5小時的二氧化鍺與鍺的界面有著最小的界面陷阱濃度，約為約為1.8*10^11 cm-2eV-1。 憑藉著鋁/二氧化鍺/鍺金氧半原件的電性量測(C-V measurement)，包含frequency dispersion、hysteresis和stretch-out behavior，並期望可以完整的了解這些與成長二氧化鍺相關的缺陷對於電性量測的影響及其來源，不幸的，仍有一些現象無法被很好的解釋，並需要更進一步的研究來幫助我們。 透過Material Studio軟體的模擬，我們可以依照first-principle原理來導出在二氧化鍺中各種不同價電的氧缺陷之轉化能級(transition level)。其中(+2/0)代表著在二氧化鍺中有正價電固定電荷的存在，因為其轉化能級的位置離費米能級(Fermi level)相對很遠。而(+1/0)則代表著二氧化鍺的正電荷抓陷中心(hole trap center)非常靠近鍺的價帶(Valence band)，提供了直接穿透(direct tunneling)所造成的滯留現象(hysteresis)一個非常有效的解釋。另一方面，二氧化鍺界面陷阱的來源也被解釋的非常清楚，來自不同氧化數的鍺所形成之懸盪鍵(dangling baond)提供了不同能級的界面陷阱。 低等效氧化層厚度(EOT)金氧半原件是一直以來半導體產業追求的目標；在此實驗中，我們利用擁有較高介電係數的三氧化二鑭(La2O3)來替代二氧化鍺鈍化層，並伴隨著由基材擴散而來的鍺介入而轉化成的超高介電係數正方晶相二氧化鋯(tetragonal ZrO2)，成功的將等效氧化層厚度降低至約1.4 奈米等級。此外，如果氧化層沉積後有經過攝氏六百度的退火處理(Post-deposition-annealing)，我們元件的等效氧化層厚度可以更進一步的降低到約1.1奈米，但經過攝氏五百度的退火處理的元件擁有最好的量測電性。

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製作於不鏽鋼基板之染料敏化太陽能電池與有機發光二極體特性研究

本研究主要是以不鏽鋼箔作為可撓性基材，分別應用於光轉電-染料敏化太陽能電池(DSSC)-及電轉光-有機發光二極體(OLED)-等兩種元件，探討各樣實驗條件如不鏽鋼箔之表面粗糙度對於元件輸出特性之效應。 第一部份利用不鏽鋼箔搭配商用TiO2漿料、N719染料及液態電解質，及商用之導電塑膠基材ITO-PET濺鍍白金作為對電極，製作成以不鏽鋼為光電極基底之可撓性TiO2染料敏化太陽能電池(DSSCs)，並觀察不鏽鋼箔的種類、不鏽鋼箔表面粗糙度、多孔隙TiO2層厚度等條件的差異，對於DSSC輸出特性的影響。藉由濺鍍Ti金屬或蒸鍍TiO2薄膜於不鏽鋼箔表面，其結果顯示均可有效提升元件之效能，表示其有效地抑制了電荷與電解液發生逆向複合的機會，此外SUS 430之熱膨脹係數低於其它不鏽鋼箔(如SUS 316L)，故若製程條件相同，以SUS 430作為光電極基板製作成DSSC之光電轉換效率亦較高。在入射光強度100mW/cm2之下，SUS 430光電極基底之DSSC最佳光電轉換效率為1.04%，而SUS 316L基底DSSC則以1.10%為最佳值。此外，對於SUS 316L基底DSSC來說，多孔隙TiO2層於厚度3.5μm以下時光電流隨著基板表面粗糙度增加而提升，超過此厚度則無明顯趨勢。多孔性TiO2層厚度為8~11μm達最佳效能。 第二部份是利用前述之不鏽鋼箔作為基板，先旋塗一層高分子材料benzo- cyclobutene (BCB)作為絕緣性之平坦化層，再將有機發光二極體(OLEDs)製作於其上，結構為ITO/NPB/Alq3/Cs2CO3(或LiF)/Al，並以鍍有SiO2防水氧層之PET塑膠膜將其封裝。結果顯示可撓式OLED於彎曲前後其I-V特性沒有變化；基板的粗糙度使OLED產生暗點，而氣體的滲透更是封裝後OLED劣化的主因。