臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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IC 上可容納的電晶體數目，約每隔18 個月便會增加一倍，性能也將提升一 倍，為了遵循摩爾定律，過去的方式是將電晶體的尺寸不停的縮小，然而在22 nm節點以下由於曝光顯影的問題，製程變得相當的困難，取而代之的方法主要有從結構上改變成三維結構，例如鰭式場效應電晶體，又或者是將封裝的方式改成三維堆疊，例如矽穿孔技術，如此以來便可以在相同的面積上，增加更多的效能。 矽穿孔技術利用金屬將孔洞填滿以達到傳遞訊號的功能，由於金屬和半導體 材料的熱膨脹係數相差很大，導致製程完後回到常溫會產生相當大的應變，此應 變會改變電晶體的特性使元件缺乏一致性而難以控制甚至會破壞元件。 在本論文中，我們將計算由矽穿孔技術所造成的應變，進而分析它對於週遭 電晶體的影響。我們一開始先利用二維的模型定義keep-out zone，發現孔洞排成圓形的方式會減低keep-out zone 的大小，如此可以使晶圓上放入更多的電晶體。接著為了符合真實的情況，我們由Kane-Mindlin 的理論成功得到三維情況下應變分佈的解析解，因為我們的解析解只適用於晶圓的中間平面，但元件一般是在晶圓的表面，所以我們必須乘上一個常數去修正，我們將商業套裝軟體的結果與解析解進行比較，發現誤差非常的小，另外我們也用重疊原理考慮多個矽穿孔技術所造成的應力分佈，經由一些修正，我們也可以得到相當接近的結果。最後我們再進一步的考慮如果材料是非各向等性會和我們在假設各向等性下得到的解析解有多少的誤差，經由修正後，結果也非常的好。 90 nm 節點時所使用的應力源應變技術也可以用在未來的三維電晶體上，本 論文的另一部份將談到三維鰭式場效應電晶體應力源的應力分析，一開始我們先 回顧文獻裡適用於傳統平面電晶體，由差排對通道施加應力的解析解，接著我們 利用商業套裝軟體對於鰭式場效應電晶體將源汲極換成矽鍺施加應力作一個尺 寸最佳化，之後我們還比較了一種將源汲極包住後對通道施加應力的方法，最後 我們發現將源汲極包住的方法不只少了一道蝕刻的製程，在尺寸最佳化後它對通 道造成的應力也會大於將源汲極直接換成矽鍺的方法。
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微奈米導光線是將一般光纖以傳統光纖抽絲塔方法抽細而成，具有微小尺寸(0.5~10微米)、可撓曲、低傳輸損耗以及可大量製造的特點，可以用來替代各式光纖元件，使其可更為輕量化，或是根本上改變其效能。微奈米導光線的製作是將光纖垂直通過高溫爐，並接附於上下兩端之進出料系統，高溫爐(1400~1600℃)可將光纖變成熔融態，利用兩側平台與滾輪移動速度的差異，經由計算質量守恆定律可製作出不同直徑之微奈米導光線。光纖抽絲法之特點在於可以製作出較長的微奈米導光線(165公分)，遠超過其他製作方法(10公分)。另外，此法製作出之微奈米導光線於穩態時有幾乎沒有直徑變化，理論上可以得到更低的傳輸損耗。我們模擬了微奈米導光線的模態與場型，並量測其光學特性與品質隨時間變差的情形。目前製作出之微奈米導光線的傳輸損耗為0.002 dB/mm，雖然比不上傳統光纖，但仍有改善的空間，而且此值已可用來製作各種不同功能之光纖元件。 微奈米導光線為強導光性(strong guiding)，外界的汙染會更容易影響其效能，因此我們嘗試被覆聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)於其表面形成包覆層，測試經過18小時暴露於大氣中後也不會使微奈米導光線增加損耗。這些實驗結果代表著微奈米導光線具有潛力製作成類似於一般光纖的商品，具備大量生產與長久使用的能力。 當各式微奈米導光線元件製作完成後，需要一個技術將彼此連接起來，以達成更完整的功能。這時微奈米導光線融接技術便成為首選。我們將兩條微奈米導光線以凡得瓦力附著，利用電弧放電加熱耦合區域，於適當的距離、電流和時間下，可以將兩者融化並形成一根微奈米導光線。融接損耗可以小至0.16 dB，足以用於連接兩元件的需求。 應用至光纖元件方面，首先我們嘗試使用微奈米導光線於光互連技術(optical interconnect)中。微奈米導光線比起矽波導(0.1 dB/mm)具有更低的傳輸損耗，因此可用於光電基板中。以微影術定義位置，可精確控制製作出之元件的效能並具備重複性，又由於其放置方式，具有使用於3D結構光互連的潛力。接下來製作溝槽於PDMS上並以鎢針將微奈米導光線置入形成環形共振腔之結構，可成功形成共振條件，並達到了104的Q值。這個結果和以矽作為傳輸媒介的情形相似，表示微奈米導光線的確有取代矽波導的可行性。 我們測試的另一個光纖元件應用是鋸齒狀微光纖光柵感測器，光纖感測器具有電磁抗擾性(electromagnetic immunity)，可同時置放多個光纖感測元件而不會互相干擾，然而光纖本身的尺寸仍會限制其應用，無法放置於更狹小的空間中，因此需要製作微奈米導光線的感測器。我們將微奈米導光線以製程方式製作成表面鋸齒狀的週期性結構，因為強導光性而形成了長週期微光纖光柵，可用來量測溫度與折射率的變化。特別的是，因為微奈米導光線的模態分佈已經不同於一般光纖，於量測外界折射率時可以得到更高的靈敏度，可達2100nm/RIU。此外，本製程方法可同時製作多根微奈米導光線光柵，具有大量生產的可能性。 微奈米導光線作為一個新興的研究領域，世界上有許多團隊在探討其特性與找尋其可能應用，而本實驗室也名列其中。我們提出了微小型抽絲塔製作方法，可以製作出更長的微奈米導光線，另外也發展了包覆的技術。於應用面上，我們探討其使用於光互連技術的可行性，也將其製作成了鋸齒狀微光纖光柵，並且具有相當高的靈敏度。這些結果顯示出微奈米導光線可使用於各種不同元件並且具有良好的特性，是未來光電領域的明日之星。
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回射器在自由空間光學辨識系統中扮演很重要角色，因為透過回射器的特性能增加資料傳輸的安全性及辨識準確率，回射器顧名思義能將入射光沿著同方向反射回去。回射器依照結構不同如稜鏡型(microprism)回射器、corner cube回射器(CCR)以及貓眼回射器(cat’s eyes retro-reflector)等，而有不同的光學特性，在外面市售稜鏡型(microprism)回射器膠帶已經非常常見，但是這種回射器膠帶通常尺寸較大，且回射光應用在大範圍如道路指標、汽機車反光板或是交通安全上還堪用，若要作為光學標籤(optical tag)應用於光學辨識系統中，回射光恐怕沒有較高準確率，且回射器還必需結合調變的機制而且元件輕巧、擁有高解析度，因此本文將介紹能大量製作且具有調變功能的貓眼回射器陣列。 貓眼回射器是由前半部聚焦微透鏡和後半部反射凹面鏡所構成的，而前後模組之間的gap將決定光線是否能順利聚焦於後反射鏡上，再產生反射沿著原方向反射；由文獻可發現前半部微透鏡的調變方式有很多種，如以電濕潤(electrowetting)效應來改變透鏡曲率、以液體或液晶材料構成的微透鏡等，都是用來調變微透鏡的焦距或是曲率半徑，然而，大部分的調變機制都著重在單顆微透鏡，這邊將結合經過設計的高分子分散型液晶(Polymer-dispersed liquid crystal)薄膜於貓眼回射器陣列，透過施加電壓於兩片鍍有ITO (Indium tin oxide)的玻璃基板，產生一電場使液晶分子轉向，進而改變PDLC薄膜的狀態，讓回射光能夠自由調控，藉由改變回射器中不同的像素，以及變換施加電壓的頻率，這個輕薄、製程簡易且可獨立調變的光學裝置能扮演辨識系統中的鑰匙。
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中文摘要 近年來，隨著雷射開始被應用在顯示光源上，「光斑」此一嚴重影響影像品質之現象已逐漸被探討與重視。當高度同調性的輻射源，如雷射光及超聲波，被表面粗糙度為波長數量級的表面所散射或反射時，一個高對比度、細緻的光斑圖案將被觀察者或偵測器所觀測接收。由於光斑現象在影像處理應用上的種種不利因素，多年來世界上許多研究團隊已致力於降低此種強度噪音現象。在國立台灣大學顯示光學實驗室之研究中，我們已針對光斑問題提出了一個雷射光學投影系統的新穎模組，此模組乃基於一種純相位繞射光學元件 (DOE) 設計，藉由調制液晶空間光調變器 (SLM) ，可同時達成雷射光束整形與降低光斑對比。 在本論文中，我們對於光斑現象提出了一個全新的看法，即我們將其光場干涉之本質視為其與光場相位分佈範圍有相關性，並以此概念探討影像品質與透過此觀點更進一步降低光斑現象之可能性。我們對投影顯示科技及光斑現象在雷射投影系統上之影響作全面性的歷史回顧，我們闡述光斑現象之基本性質及其統計之數學表示。我們以統計學方法來推導光斑對比值與相位分佈範圍的函數關係，並在理論證明上發現隨著影像相位分佈範圍降低會得到較低的光斑對比值。根據理論推演的結果，我們設計出兩種依據遞迴傅立葉演算法 (IFTA) 來達到低光斑對比值之實驗架構方法：第一種架構為利用特殊設計的IFTA直接在繞射面上同時產生雷射光束整形與光場相位分佈範圍限制之方法；而另一種架構則是先利用IFTA產生均勻的方形光場分佈，再透過一個純相位元件來達到光場相位分佈範圍限制。我們設計數值模擬實驗模型來分析上述兩種根據IFTA所設計之實驗架構的影像品質。我們試圖以實際的光學系統來驗證數值實驗的結果。因此，我們選擇上述第一種方法以實驗室現有之系統實踐，並比較實際結果與模擬趨勢的差異。我們探討將模擬實驗結果實現到實際光學系統之可行性。
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感測器在我們的生活中無所不在，像是溫度計、溼度計、氣體感測器等。近年來隨著微機電製程技術快速發展下，感測器朝向微小化與系統化發展，因此可與微機電件元件整合的微感測器，因其輕、薄、短、小的優點，受到人們的重視與喜愛。 本研究的熱電偶元件為實驗室學長洪家麒根據席貝克效應所製作，設計成四種型態的熱電偶元件:重疊型熱電偶、非重疊型熱電偶、非重疊加長型熱電偶與非重疊對稱型熱電偶。本研究針對熱電偶元件進行基本工作效能實驗、定溫調壓實驗、定壓調溫實驗、定溫調二氧化碳分壓實驗、定二氧化碳分壓調溫實驗、定相對溼度調溫實驗、定溫調相對溼度實驗與定蒸氣壓調溫實驗，探討其作為感測器的效果。 研究的實驗結果，三種型態熱電偶：重疊型熱電偶、非重疊對稱型熱電偶與非重疊加長型熱電偶，在基本工作效能實驗，輸出電壓與漆包線加熱電流都呈正相關；在定溫調壓下，輸出電壓與環境真空度都呈正相關；在定壓調溫下，輸出電壓與環境溫度都呈正相關；在定溫調二氧化碳分壓下，輸出電壓與二氧化碳分壓都呈負相關；在定二氧化碳分壓調溫下，輸出電壓與環境溫度都呈正相關；在定相對溼度調溫下，輸出電壓與環境溫度都呈正相關。而在定溫調相對溼度下，非重疊對稱型熱電偶與非重疊加長型熱電偶輸出電壓與腔體環境相對溼度呈負相關；重疊型熱電偶以蒸氣壓74 mmHg附近為轉折點，在蒸氣壓為74 mmHg之前，輸出電壓與腔體環境相對溼度呈正相關；在蒸氣壓為74 mmHg之後，輸出電壓與腔體環境相對溼度呈負相關。在定蒸氣壓調溫實驗，輸出電壓與環境溫度都呈正相關。 根據實驗結果，熱電偶元件可以多功能感測環境溫度、相對溼度、氣壓與不同二氧化碳分壓的能力。
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超高解析光學同調斷層掃描(ultrahigh-resolution optical coherence tomography; UR-OCT)首次應用於體外單顆皮膚細胞的三維造影與分析研究上。此非侵入式、毋須標定、以及擁有極深成像與細胞等級之空間解析能力的光學偵測技術，可從三維的方式來分析單顆細胞之散射特性。基於UR-OCT影像以及細胞形態學上的觀察，我們可以很容易地辨別活的和細胞凋亡之基底癌細胞。除此之外，我們首次提出一種全新且快速之自動提取個別單顆皮膚細胞之特徵參數的方法，包含訊號平均、細胞體積、細胞密度及平均動態範圍。並藉此分析方法進行了定量比較和參數分析，其中三個特徵參數p-value小於0.05。實驗結果顯示出UR-OCT於細胞級別上具有檢測細胞死亡與否之能力。 更進一步，我們藉由圖像分割中屬於型態學影像處理之膨脹與侵蝕技術，進行一系列的影像處理，並計算出由UR-OCT拍攝的HaCaT之細胞大小和細胞核體積，進而推算出細胞核質比為0.18，非常接近螢光顯微鏡之結果。 最後，我們採用HaCaT與Hs68細胞株作為表皮中的角質細胞與真皮中的纖維母細胞代表，同樣使用自行定義之特徵參數，藉由圖像分割中的k-means聚類法，從統計學上對不同類型的皮膚細胞進行區分。我們展現了總共12顆的HaCaT與Hs68細胞可以很準確且快速地被辨別，暗示了UR-OCT於未來皮膚科臨床應用與組織工程上扮演一個重要角色。
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本文係以數值模擬方式，對一具有金屬光柵結構的非晶矽薄膜太陽能電池，在已知其內部之載子產生率的情況下，探討其內部載子傳輸現象。此太陽能電池由三部分組成，由外而內，依序是作為表面電極之氧化銦錫透明導電層、非晶矽半導體層與作為底部電極的金屬銀光柵層。本文中非晶矽半導體內的載子傳輸為一個二維的數值問題，吾人藉由Gummel迭代法來求算出一組滿足Poisson方程式以及電子與電洞之連續方程式的解。在每次迭代運算過程中，我們並非一舉求算二維區間的解，而是將二維問題近似為有限個彼此有關聯的一維問題，再利用已設計好的一維模型來進行重複性的計算，以求得二維區間的解。為了評估此太陽能電池的性能，我們亦模擬了具有相同體積的平板型參考太陽能電池。模擬結果顯示：具有光柵結構的太陽能電池之能量轉換效率確有增加，相較於對應的參考太陽能電池，最大能量轉換效率可從5.93%提升至8.24%，亦即約有39%之相對提升。
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在本論文中，我們利用光致發螢光技術研究氮化銦鎵/氮化鎵發光二極體及氧化鎘鋅/氧化鋅發光二極體之光學特性。首先以氮化銦鎵半導體雷射 (波長406nm) 對氮化銦鎵/氮化鎵發光二極體進行隨溫度變化的螢光頻譜和隨激發強度變化的螢光頻譜量測，研究在高溫成長不同厚度的p型氮化鎵下，量子井因為受到高溫熱退火而重整銦聚集結構並加強載子局部效應，也因為晶格常數的不匹配而增強內部電場，造成內部量子效率及史塔克效應不同的影響。此外，用氦鎘雷射 (波長325nm) 對氧化鎘鋅/氧化鋅發光二極體進行隨溫度變化的螢光頻譜和隨激發強度變化的螢光頻譜量測，研究在氮化鎵及氧化鋅基板上成長氧化鎘鋅/氧化鋅量子井，造成內部量子效率及史塔克效應的影響，並利用兩個高斯分佈擬合發光頻譜。當量子井中鎘濃度高時，發光頻譜中存在著rock-salt氧化鎘鋅結構及wurtzite氧化鎘鋅結構，並隨著量子井中鎘濃度的增加，rock-salt結構相對wurtzite結構對全頻譜的影響更甚。
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為瞭解表面電漿子與量子井耦合以提升發光二極體效率之物理機制，我們首先在氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構上，使用奈米壓印微影技術製作週期性之銀奈米顆粒。以此技術，我們可以製作出侷域表面電漿子共振波長與量子井發光波段吻合的銀奈米顆粒。經由銀奈米顆粒所產生的侷域表面電漿子與量子井的耦合，我們觀察到量子井的發光波長因為耦合現象產生的波長變化，同時也量測到增強量子井光致螢光的發光強度，此外，也看到提升其內部量子效率。由於製作成發光二極體時需要保護銀奈米顆粒，但在其上成長二氧化矽覆蓋層將導致侷域表面電漿子共振波長紅移，若要使侷域表面電漿子共振波長與量子井發光波段吻合，我們需要將銀奈米顆粒變小。 另外，我們也利用奈米壓印微影技術及聚苯乙烯奈米球微影技術製作週期性排列和無週期性排列分佈之銀奈米圓盤，藉由反射頻譜量測，我們可得知當銀奈米圓盤厚度增加使得表面電漿子的共振波長紅移。而且週期性排列和無週期性排列分佈之銀奈米圓盤的反射頻譜特性上的差異也可以用來探討週期性排列奈米金屬圓盤結構所產生的耦合現象，無週期性排列分佈之銀奈米圓盤的反射頻譜只有兩個較明顯的共振波段，然而週期性排列之銀奈米圓盤其反射頻譜卻有其他的共振波段存在，表示週期性排列之銀奈米圓盤有重要的耦合效應。
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我們展示了在傅氏域光學同調斷層掃瞄的一個省時之鏡像消除 方法，包括了理論說明及實驗結果。這新方法利用基於實像與鏡像之 系統相位差相反的性質，來區別兩者。基於合理的假設，我們可以求 得兩個聯立方程式之解，由此可得到實像訊號。於本論中，我們說明 了這個方法的理論基礎，並且證明使用平均和疊代步驟可以進一步改 善實像品質。再者，我們估算在不同影像處理條件下之鏡像消除比 值，包括不同的疊代次數以及兩條A-模掃瞄間不同系統相位差等條 件變化。同時，我們比較我們的方法與廣泛使用的BM 掃瞄法結果之 不同，在我們的方法中使用兩次疊代之鏡像消除品質可勝過BM 掃瞄 法，而使用我們的方法所需電腦運算時間明顯地較BM 掃瞄法短。 基於傅氏域鎖模雷射之製作，我們還建置了一套高速掃頻光學同 調斷層掃瞄系統，該雷射之中心波長在1290 奈米附近，在空氣中光 學同調斷層掃瞄系統之軸向解析度約為10 微米。傅氏域鎖模雷射系 統內包含作為增益介質以及輸出功率放大器之半導體光學放大器，其 掃頻功能係由在適當的頻率下控制法布立－培若可調式濾波器來達 成。我們使用雙重延遲技術使掃頻速率變為四倍，達二十四萬赫茲， 傅氏域鎖模雷射的輸出功率約為40 毫瓦。掃瞄一張具有500000 A- 模掃瞄之三維圖像所需時間只要2.1 秒。