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利用聚二甲基矽氧烷改善離子高分子金屬複合物之表面粗糙度以及其應用於可形變鏡面之研究

離子高分子金屬複合物（IPMC）是一種當處在電場下時，會表現出彎曲行為的複合性材料。傳統上採用的IPMC製程，一般包含一個粗糙化的步驟。粗糙化可以帶來更佳的電極附著性以及更好的制動表現等優點。但是粗糙化所造成的極大的表面粗糙度同時也會在許多應用上形成阻礙，特別是在可形變鏡面應用的方面。 在這篇論文中，我們保留了粗糙化的程序，並且提出一種運用聚二甲基矽氧烷的附加性的製程去改善IPMC的表面粗糙度以及一些其他特性。經過此表面改善製程之後，IPMC的表面方均根粗糙度可以低至28 nm的程度，並且在3伏特的偏壓底下可以成功的制動。另外我們也發現經過改善後的IPMC在大氣環境下的耐用度是未改善的IPMC的約15倍。其他改善製程所帶來的影響，包括反射率、表面散射程度、電阻以及制動表現也會同時討論。最後，我們應用這種改善方法來實現一種IPMC可形變面鏡樣式設計，並量測其制動效果。

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埋覆硒化鎘/硫化鋅膠狀量子點介電質微碟共振腔之雷射應用

本文中微碟共振腔採用硒化鎘/硫化鋅膠狀量子點為主動材料，以二倍頻532奈米Nd:YAG固態雷射激發，實現於可見光600奈米附近的微碟共振腔雷射。我們製作微碟以二氧化矽層中間埋覆硒化鎘/硫化鋅膠狀量子點，直徑8微米和10微米。8微米的微碟Q值約3000，並且在10微米的微碟共振腔在室溫環境下成功量測到迴音廊模態，其Q值大約3100，雷射閾值約85μw。 相較大部分研究半導體微碟雷射，二氧化矽介電質微碟製程簡單並且成本較低。若要製作尺寸更小的微碟，在光感測器、積體電路上等方面加以應用，考慮損耗會隨尺寸愈小而增加，所以我們更進一步製作氮化矽微碟。氮化矽折射率高於二氧化矽，可增進微碟邊緣與周圍空氣的折射率差，光的侷限性更好，Q值越高。然而，二氧化矽微碟在雷射激發無損壞的問題，但氮化矽微碟卻會因雷射功率過大產生損壞，改變氮化矽成長參數矽甲烷的流量，雖降低了氮化矽折射率，但結構較不容易損壞。矽甲烷125sccm的微碟，直徑4微米觀察到Q值約1000；矽甲烷76sccm的微碟，我們在直徑6微米與8微米皆觀察到迴音廊模態，Q值約400。本文也對於此加以做製程上的討論並改善，期望能達到更好的量測結果。

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以拉曼光譜研究氮銻砷化鎵之材料特性

本篇論文係研究以氣態源分子束磊晶法成長的稀氮化物材料氮銻砷化鎵之光學特性。主要使用之儀器有拉曼光譜以及X光倒置空間譜。實驗中我們將成長好的氮銻砷化鎵分成經過650℃ 、800℃、850℃快速熱退火以及不做熱退火四種條件。實驗結果顯示經650℃和800℃熱處理的試片在拉曼頻譜上250 cm-1附近具有一個振動模態。我們也將此四種試片做了變溫拉曼的量測，其結果發現800℃的試片在溫度降低時具有最大的頻率紅移量，其後我們將此試片蝕刻300奈米深並重新測量變溫拉曼譜，紅移的量在蝕刻後明顯的減少。我們認為此一現象是源自於一個光學聲子會衰減成多個聲學聲子的非簡諧性效應。因為材料中的雜質或缺陷會形成散射中心，使得頻率產生大幅紅移，故在蝕刻之後頻率紅移量的下降顯示了雜質或缺陷的減少。 從X光倒置空間譜我們可以得到試片的水平與垂直晶格常數位在5.61 A 附近而且晶格已近乎完全鬆弛。 我們原先認為650℃和800℃熱處理的試片在拉曼光譜中發現的位於250 cm-1附近的振動模態是因有另一個銻化鎵較多的相所致，但經過X光粉末繞射儀檢驗之後並沒有發現此相的存在。我們認為此模態產生可能的原因是在經過650℃和800℃熱退火後原子結構發生了改變從而使Ga和As原子的鍵長改變。

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以射頻磁控濺鍍法製作氧化鎂鋅/氧化鋅異質接面場效電晶體

由於單晶異質結構不適合於低成本、大面積的電子元件應用，所以我們探討多晶系統異質結構並期望能進一步應用於工業化中。 在本論文中使用射頻磁控濺鍍法在室溫下成長氧化鋅薄膜。首先我們藉由GIXRD、SEM、AFM、XPS分析來討論未經處理與後退火處理對氧化鋅薄膜(15nm)的影響。之後我們探討氧化鎂鋅/氧化鋅異質結構的極化效應。由於氧化鋅結晶程度的改善，我們可以觀察到極化效應在氧化鎂鋅/氧化鋅異質結構中，且片載子濃度隨著氧化鎂鋅中鎂成分的增加而提升。 接著我們在玻璃基板上製作氧化鎂鋅/氧化鋅異質接面薄膜電晶體。我們發現氧化鋅的厚度與鎂的成分會強烈影響電晶體的I-V曲線。由於極化效應與屏蔽效應的關係，氧化鎂鋅/氧化鋅異質結構的電晶體開電流部分較對照的氧化鋅電晶體高一至兩個數量級，臨界電壓隨鎂成分增加而減小。我們發現氧化鋅厚度對氧化鎂鋅/氧化鋅電晶體的影響，較厚氧化鋅厚度觀察到有較強的極化效應。另一方面對孤立氧化鎂鋅/氧化鋅通道層可有效降低關電流。 最後我們選用Mg0.2Zn0.8O/ZnO(15nm) 薄膜電晶體做成N-MOS反向器，其在β=15、操作電壓18V下增益為19.6。 關鍵字：射頻磁控濺鍍法、氧化鋅、薄膜電晶體、極化效應

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氧化鎘鋅/氧化鋅量子井生長、特性分析及發光二極體應用

在本論文中，我們首先報告使用電漿輔助式分子束磊晶技術分別於氮化鎵與氧化鋅模板上成長氧化鎘鋅/氧化鋅之量子井結構，並且變化長晶條件以探討他們特性之不同。接著我們使用變溫與變功率光激發方式來量測各樣品的發光特性，另外藉由高解析度穿透式電子顯微術與X光繞射量測來觀測他們的晶體特性。我們發現相較於氮化鎵模板，氧化鋅模板上鎘原子的附著能力較差，使得當我們在氧化鋅模板上成長氧化鎘鋅/氧化鋅量子井結構時，需要減少氧氣流量以達到理想化學分配比。另外也發現在氧化鎘鋅量子井層中，當總體的鎘濃度較高時，除了烏采結構氧化鎘鋅之外，也存在著岩鹽結構的氧化鎘鋅。在光激發光量測時，發現當鎘濃度較高時，岩鹽結構之氧化鎘鋅會比烏采結構之氧化鎘鋅有更高的放光強度。並且無論是成長在氮化鎵模板上，或者是氧化鋅模板上，隨鎘濃度增加，量子井發光效率會先增加後再降低。我們推論：在較低鎘濃度的樣品內，其發光效率較低可歸因於較弱的量子侷限效應，而在高鎘濃度樣品內，發光效率比較低則是因為在量子井結構內晶體品質較差。我們也發現在氮化鎵模板上成長的量子井其放光效率有漸漸比在氧化鋅模板上成長者高。無論是成長在氮化鎵模板上，或者是在氧化鋅模板上，量子侷限史塔克效應則是隨著鎘濃度升高而有變強的趨勢。 此外，我們於p型氮化鎵模板上成長氧化鎘鋅/n型氧化鋅多層量子井發光二極體結構，其中量子井結構與重摻雜n型氧化鋅層是使用分子束磊晶技術成長，而p型氮化鎵則是使用有機金屬化學氣相沉積法成長。我們觀測到在發光二極體結構表面有些V型凹陷產生，這顯示在其底下有貫穿式差排存在，為了降低這個漏電流通道，我們使用二氧化矽奈米顆粒將這些凹陷填滿，並製作側向電流結構之發光二極體。量測結果發現元件開啟電壓為4伏特，元件電阻為224歐姆。然而由於氧化鎘鋅/氧化鋅量子井內載子侷域效應較微弱，在低注入電流時，缺陷放光相當強，並且主導了整個發光二極體的光輸出強度。另外我們也發現此發光二極體在順向偏壓下的光輸出頻譜比光激發光頻譜有藍移現象，而且在較高注入電流下有大幅度藍移的現象，這些特性與一般氮化鎵發光二極體的特性有相當大的差異。 另外，我們也報告垂直式氧化鋅/氧化鎘鋅量子井發光二極體的製作過程與特性量測結果，其中量子井結構與重摻雜n型氧化鋅層為使用分子束磊晶技術成長，而p型氮化鎵則是使用有機金屬化學氣相沉積技術成長。我們拿它與側向發光二極體來做比較，發現垂直式發光二極體有較低的元件電阻、隨著電流增加有更大幅度的頻譜藍移、更小的漏電流、較弱的輸出強度飽和以及相對低的缺陷放光。

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規則排列氮化銦鎵/氮化鎵量子井奈米柱陣列生長及特性分析

在本論文中，首先我們報告利用有機金屬氣相沉積法於c平面藍寶石基板上成長不同截面大小與間距的高晶體品質氮化鎵奈米柱。藉由奈米壓印技術及流量調變磊晶方法來達成選區成長效果，形成週期性、結構一致的氮化鎵奈米柱。 接下來，我們於規則排列的氮化鎵奈米柱上成長氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構，可同時於奈米柱頂端形成具極性的c平面圓盤狀量子井結構以及奈米柱側壁形成非極性的m平面量子井結構，形成外層包覆量子井的奈米柱結構。為了分析這兩種量子井結構的形貌及組成，我們使用掃描式電子顯微術、陰極射線致發螢光光譜及影像分析、穿透式電子顯微術及應力狀態分析軟體來觀察及分析。應力狀態分析軟體能夠分析穿透式電子顯微鏡影像，提供我們關於量子井細部結構及組成等資訊。分析結果發現側壁m平面量子井較頂端c平面量子井的寬度窄但銦含量較高。同時，單就側壁m平面量子井而言，側壁量子井寬度隨著奈米柱高度增加而遞減，而側壁量子井的銦含量卻是隨著奈米柱高度增加而遞增。這個結果顯示組成量子井的原子是沿著奈米柱側壁由底部往頂部遷移。 然後，我們以奈米壓印製作不同直徑大小與間距的孔洞陣列，並於其上成長不同高度的氮化鎵奈米柱及相同成長條件的氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構，因而形成了不同的截面結構。氮化鎵奈米柱的截面寬度大小主要與奈米壓印孔洞的直徑大小有關，而與奈米柱的高度及間距關係較小；另一方面，氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構之截面厚度卻與奈米柱的高度極為相關，且稍微受到奈米柱的六角排列型式影響。 氮化鎵奈米柱的截面寬度大小變化能夠以自組成催化劑的鎵球三維立體比例的物理性質來描述，而氮化銦鎵/氮化鎵量子井的截面厚度變化則是需由相鄰奈米柱間能讓成份原子進入的間隙體積來解釋。此外，對於不同直徑、間距、高度及六角排列型式的奈米柱量子井，量測其俯視、截面及就單根奈米柱量子井局部區域打點的陰極射線螢光光譜分析結果，發現發光波長隨著奈米柱高度降低、奈米柱截面寬度增加或奈米柱間距增加而變長，且奈米柱六角排列型式以邊對邊的組合會比角對角的組合發光波長要長。

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以阻抗對電壓特徵曲線分析有機發光二極體載子傳輸及起始電壓特性

本論文主要研究使用電流及阻抗對電壓特徵曲線來探討有機發光二極體元件內部特性，包含元件的起始電壓、載子傳輸層中的載子遷移率、以及陰極金屬或電子注入層擴散距離。 第一部分中，起始電壓定義為將電流取對數後在對電壓圖上的上升起始點，自起始電壓後元件開始導通電流。實驗結果發現有機發光二極體的起始電壓由電洞傳輸層的最高填滿軌域與電子傳輸層的最低未填滿軌域能階差決定，此能階差需考慮兩有機層間的真空能階位移。實驗中以紫外光光電子能譜分析儀觀察有機材料介面的實際能階圖。 此外，在元件導通前的阻抗轉折為另一研究主題，此阻抗轉折與兩載子傳輸層間的介面電荷相關。實驗結果顯示僅當電洞傳輸層中的電洞遷移率遠大於電子傳輸層中的電子遷移率時才會有此阻抗轉折發生，反之，當兩載子遷移率相差不大，阻抗僅在元件導通時下降。接著，將阻抗轉折處的電壓定義為轉折電壓，並探討轉折電壓與元件結構的關係。一般而言，轉折電壓由電子傳輸層厚度及介面電荷密度決定，但實驗發現在電子注入層的存在下，轉折電壓會往正向偏壓平移。由轉折電壓與電子傳輸層厚度關係推測，該平移是由於電子注入層或陰極金屬材料擴散進入電子傳輸層造成。根據以上推論，阻抗對電壓特徵曲線可用來初步比較兩載子傳輸層的載子遷移率關係並且以非破壞性的方式觀察元件內陰極材料擴散的情形。

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利用金屬輔助蝕刻法製造單晶矽薄膜於太陽能電池之應用

隨著現今石化能源面臨短缺的危機與全球暖化問題，綠色再生能源受到很高的關注，在可再生能源中，因為太陽光相對穏定，因此太陽能電池也變得越來重要。在現今的太陽能產業中以矽太陽能電池為主，然而，矽太陽能電池的成本與石油發電比較下仍然很貴，在製作矽太陽能模組的成本裏，矽基板的成本佔矽太陽能電池模組成本的一半，導致矽太陽能電池的成本提高，減少矽材料的使用能有效降低矽太陽電池的成本。在本篇論文中利用低成本的金屬輔助蝕刻法(metal assisted etching)來製造單晶矽薄膜，利用微影技術(lithography)於單晶矽片的表面形成微米孔洞的光阻圖形，接著透過金屬輔助蝕刻法進行縱向蝕刻以及橫向蝕刻，在縱向蝕刻中，銀粒子會通過微米洞向下蝕刻至特定的深度，而橫向蝕刻可以把把微米洞結構底部往水平方向蝕刻，直至微米洞結構與矽基板分開，經過縱向以及橫向蝕刻過程後，可以利用把薄膜轉移到玻璃基板上，剩餘的矽基板可以回收。 在波長400nm到900nm之下，單晶矽薄膜的光吸收率大於89%，我們利用XRD檢測證明單晶矽薄膜與矽晶片有相同晶格特性，在布拉格角度(Bragg Angle) 69o之下有峰值，代表晶格方向為(100)。而我們利用微波電導衰退(Microwave photoconductive decay)及霍爾效應(hall effect)來量測單單晶矽薄膜的載子生命週期(carrier lifetime)及載子遷移率(carrier mobility)，單晶矽薄膜的載子生命週期為25μs，載子遷移率為240cm2/Vs，因此載子傳輸距離(carrier diffusion length)為125μm，大於單晶矽薄膜之厚度，因此適合於製作太陽能電池。最後，我們利用此單晶矽薄膜與有機材料PEDOT:PSS製成有機無機太陽能電池，不需要利用高温退火等高温製程，達到低成本，低温的製程的需求，元件之能量轉換效率(power conversion efficiency)為1.87%，短路電流12.76mA，開路電壓0.37V。

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利用擁有寬頻與全向性光擷取之奈微米結構於矽基太陽能電池之應用

本文中，我們利用擁有寬頻與全向性光擷取之奈微米結構應用於矽基太陽能電池上以提升光伏特性，並且對其光電特性做詳細的討論。 首先，由微米金字塔以及奈米線陣列結合而成之階層結構成功製備於單晶矽晶圓上，此乃利用氫氧化鉀溶液非等向性蝕刻以及無遮罩濕式蝕刻技術製作而成。此奈微米複合結構展現出優良的光捕獲特性，在波長300奈米-1000奈米擁有極低的平均全反射(4.3%)。在1.5 AM的光照下，藉由此一階層表面結構應用於矽基太陽能電池，與拋光表面之元件相比其短路電流密度可從21.5 mA/cm2提升至28.2 mA/cm2，其轉換效率可由7.75%增加至10.47%。此第一部分研究之概念與技術將有助於下一世代的矽基太陽能電池之優化與發展。 最後，矽基異質接面太陽能電池具有達到超高光電轉換效率的潛力乃由於其較高的開路電壓，然而亦須仰賴表面結構於沉積非晶矽層之前，以增加光吸收於元件。在此，我們利用黃光微影術與氫氧化鉀溶液非等向性蝕刻製作出週期性倒金字塔結構於矽晶圓表面。相比於拋光與隨機生長的正向金字塔結構，此一倒金字塔結構在波長300奈米-1130奈米之寬頻帶中顯示出增強的光捕獲捉效應。在太陽能電池的應用上，以週期為10微米的倒金字塔結構製作在雙面的異質接面太陽能電池，其光電轉換效率可從10.38%大幅提升至14.58%，擁有604.5 mV的開路電壓，35.29 mA/cm2的短路電流密度，以及0.68的填充因子。其一顯著的提升可歸因於光在元件中吸收的增加以及沉積層鈍化的改善。此部分的研究證實了藉由表面結構的最佳化設計可有效改善矽基異質接面太陽能電池的光伏特性。

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次波長光柵實現半導體雷射陣列側向激發之高功率光纖雷射

近年來，利用半導體雷射激發之光纖雷射逐漸成為高功率雷射的主流，由於它擁有極佳的光束品質、窄線寬以及很高的電光轉換效率等優點。此外，半導體雷射陣列及陣列堆疊是一種很可靠的高功率激發光源，並廣泛地被使用在各種應用上。當光纖雷射的激發光源來到此種擁有更多的發光區域之堆疊式雷射陣列，其在慢軸的多模態發光特性往往使得能被使用的功率受到限制，以致於到目前為止，堆疊式雷射陣列只能用來當成塊狀雷射的激發光源，因而仍然有許多技術問題需要被改善與克服。 基於上述，本論文提出了一種更精巧且更有效率的光柵側向式耦光架構，利用特殊設計的光柵耦合器，可以直接將半導體雷射陣列及陣列堆疊的光經由側面耦合進雙纖衣光纖的內層纖衣。在實驗上，我們利用電子束微影系統來製做此種次波長光柵。此外，我們也考慮到回返繞射所產生的損耗、製程上所產生的光柵側壁垂直度誤差，這些都可經由最佳化光柵的周期、線寬以及深度來達到最高的耦光效率。實驗結果顯示黃金鑲嵌二氧化矽之光柵耦合器的耦光效果遠比單純的黃金光柵耦合器還要好，這是因為此種二元結構擁有較高的熱膨脹抵抗能力以及較佳的熱傳導路徑。 對於一維半導體雷射陣列側向耦光架構，實驗結果顯示黃金鑲嵌二氧化矽之光柵耦合器能將21瓦，波長976 奈米的連續輸出光，耦合進直徑400 微米之雙纖衣光纖的內層纖衣中，耦光效率為50 %。更進一步，藉由此光柵耦合器，側向激發之摻鐿雙纖衣光纖雷射也被實現。在雙向側向激發的架構中，雷射功率可達10瓦，斜率效率約為61 %。此外，對於半導體雷射陣列堆疊側向耦光架構，亦可藉由此光柵耦合器，實現了只使用單一一組半導體雷射陣列堆疊，即達成分佈式側向耦光之架構。據我們所知，這是世界上首次如此精巧地實現了分佈式側向耦光之架構。當304.4瓦的半導體雷射陣列堆疊輸出，約124.6瓦的光可被耦合進入雙纖衣光纖之內層纖衣，耦光效率為41 %。更進一步，產生出58瓦的光纖雷射，斜率效率約為50 %，雷射中心波長1090奈米，線寬約為0.11奈米，此窄線寬亦代表了此種分佈式側向激發雷射的優勢。 最後，此種光柵側向耦光技術不只能有效率地實現高功率且高品質的雷射光源，同時光柵還能藉由奈米壓印技術來大量生產以降低成本，十分具有商業競爭潛力。