臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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有機發光元件由於具備自發光、輕薄、可撓式、全彩化、省電、可視角廣、反應時間快速及製程簡單等優點。可望在次世代主流顯示器佔有一席之地。但由於有機發光元件其物理尺度在一、二百奈米之內，在可見光波段範圍會受到其薄膜結構干涉光學影響，於此我們導入微共振腔效應以分析有機發光元件。並探討在微共振腔效應中廣視角干涉與多波干涉對元件發光的影響。 本篇論文使用一光學模型模擬元件在不同薄膜結構下，計算在不同視角，發光頻譜與出光強度變化。並搭配前面敘述微共振腔理論設計出最佳化有機發光元件。在設計最佳化過程中，首先考慮廣視角干涉優化決定發光區位置後，利用多波干涉決定在微共振腔中總光學厚度，設計出理想的有機發光元件。更進一步探討下發光有機元件陽極結合分佈式布拉格反射鏡設計，藉由提升微共振腔效應，可提升光強度及降低發光頻譜的半高頻寬。之後探討上發光型有機發光元件在陰極上覆蓋一層介電材料之影響，可發現陰極相位移及反射率改變造成發光強度及頻譜變化。因此藉由調控電子傳輸層厚度維持微共振腔之共振波長不變，當調控陽極比陰極多約36~39%反射率時，其對應共振波長會有最佳的正向光強度。最後結合上發光共同結構，設計出僅調變電子傳輸層厚度來達到高亮度與色彩涵蓋區域廣之紅綠藍三色有機發光元件。
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氮化鎵奈米柱是一個常被使用於光電元件和微機電元件的結構。然而當結構被縮小至奈米尺度時，一些有趣且和巨觀尺度底下不同之行為，常常引人注意和被研究。這些新的行為和現象將會造成未來元件縮小化後，在設計和實做上的挑戰。然而為了可以在製程的過程中，及時監控和量測材料的特性，一些量測的技術因此被發展出來。我們提出利用飛秒雷射所激發的二維陣列氮化鎵奈米柱的音波局限模態來監控奈米材料的彈性係數(elastic stiffness contant)的改變。在這裡的研究中，我們成功的利用電子束微影系統以及偶合電漿子乾式時刻技術，製作出直徑小於35nm的氮化鎵奈米柱，並利用奈米超音波的量測技術觀察不同直徑大小下之奈米柱的徑向呼吸模態。因為奈米柱的徑向呼吸模態，是屬於單一個奈米柱的自然共振模態，對於一個二維陣列結構來說，我們也設計不同的周期和不同的aspect ratio來驗證周期結構和呼吸振動膜態的關係，然而我們也分析了奈米柱的呼吸振動模態的品質因子，並發現品質因子和奈米柱直徑的相關性。最後，在我們的分析裡，我們觀察到當奈米柱直徑小於50nm的時候，材料的彈性係數(elastic stiffness contant)會變小，我們推論這是因為氮化鎵材料因尺度奈米化後，表面原子和原子之間的鍵結變弱造成的材料軟化效應(softening effect)。憑藉著我們的量測和分析的方法，得到直徑35nm的氮化鎵奈米柱，他的彈性係數(elastic stiffness contant)是193±24 GPa。另外，我們的量測也發現氮化鎵奈米柱在尺度縮小後不僅機械特性改變，他的光學特性也會有所不同。我們發現直徑越小的奈米柱會出現一個較短的載子存活時間，我們推論這個現象可能和氮化鎵表面的surface recombination和surface depletion region等載子的運動行為有關。
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近年來由於兆赫波科技的快速發展，許多兆赫波發射器被廣泛地開發，其中包括共振穿隧二極體、光導天線、單傳輸載子光二極體、傳輸波光偵測式兆赫波光子發射器、兆赫波量子級聯雷射、磷化銦高電子傳輸電晶體及異質介面偶極電晶體等等。而作為一個兆赫波發射源，其效率及指向性在一些特殊應用裡尤為重要。例如，手持式兆赫波探測頭必須擁有較高的輻射指向性，以便在即時偵測時得到較高的訊雜比及解析度；在生物檢測晶片應用裡，激發能量必須加以限制以避免對待測樣本加熱造成影響。因此，一個高效率的兆赫波源（意指低功率消耗）在這類的應用裡也扮演著一個不可或缺的角色。在本論文中，我們提出並且實驗證明兩式依垛行開槽陣列天線為設計基礎的兆赫波光子偵測器。實驗過程中，我們不需使用任何高藉電係數的聚焦媒介便可輕易得到高指向性的兆赫波輻射。在0.9兆赫的輻射場型中，不論在電場或磁場平面，其3dB束寬都可以被有效地侷限在30度輻射角以內。此外，我們將光電路重新設計在一接地共平面波導結構上以便提升其輻射效率及高頻操作。此新設計的優點在於能夠保有厚基板，在適當的設計下，基板能夠收集儲存散逸在電路表面及基板內的兆赫波並且形成有效共振，對於提升輻射效率及高頻操作有其顯著的效果，亦有利於未來的大尺寸光電積體電路整合。除了單頻操作，我們亦利用超短脈衝光作為寬頻兆赫波的激發。利用相位偵測的技術，我們成功觀測兆赫波在光子發射器上的傳播、共振及輻射行為，其特性與原始電路設計有著相當高度的吻合，因此，我們相信所發展的高效率及高指向性的兆赫波發射器將非常適合可做為一顆低功率消耗�高敏感度生物檢測晶片，其中代測物之高頻電性可藉由精密兆赫波電路做更進一步的相位檢測。 除了上述高效率及高指向性兆赫波光子發射器之開發，在本論文中，我們也成功建立一套光纖化兆赫波同調控制系統作為兆赫波光子激發系統。我們知道環境對於兆赫波有強烈的吸收及散射影響，因此將兆赫波資訊載於光訊號上是未來發展兆赫波技術的一個重要方式之一。光纖化傳播除了有利於實現一套簡易可撓手持式或桌上型系統，對於未來的長程光纖通訊，所建立的光纖化兆赫波同調控制系統亦可提供其技術支援。本論文中，我們使用的是一根大面積模態光子晶體光纖。實驗結果顯示其頻率範圍可成功地由0.15兆赫線性調至約3.7兆赫。因此，我們希望藉由結合所發展之高效率高指向性兆赫波光子發射器以及簡易可撓式光纖化兆赫波同調控制系統，未來能夠提供更廣泛的兆赫波科技應用。
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近來奈米結構相對於大尺寸結構有較好的效能表現，然而，每個奈米材料都有自己的限制導致未來發展的應用，為了去突破這個限制，在我們的研究當中嘗試結合兩種奈米材料，藉由原子層沈積技術，做成了氧化鋅、二氧化鈦包覆多層奈米碳管的核殼奈米結構，且氧化鋅、二氧化鈦的厚度可以被精確控制。由於資安通訊在未來的應用，一個靈敏且偵測快速的偵測器是相當地被需要，在我們的實驗中發現這樣的一個核殼奈米線不只保有金氧半導體的高增益特性同時也大大地改善它的反應速度，這樣的一個材料提供了多功能的發展可看性，此外，我們提出一個模型去解釋高增益與快速反應。 首先，在多層奈米碳管-二氧化鈦的核殼奈米結構下，製作出寬能帶、快速且高靈敏的光偵測器，高增益可以達到104、反應時間4.4毫秒、回復時間10.2毫秒，由於核殼結構在徑向方向能夠分離載子，它能夠去幫助載子收集的效率，我們藉由光電流、反應時間的量測去探討多層奈米碳管與二氧化鈦之間的反應。高增益、快速反應、快速回復都來自於氧相關的電洞侷限以及在多層奈米碳管與二氧化鈦之間徑向蕭基電場，除此之外，這樣的一個核殼結構奈米線也具有發展光伏電池的潛能。 最後，由於外太空探索與光通訊的發展，吸收紫外光的自行供能元件是被大量地需要，我們利用了核殼結構奈米線的優點，製作出極快速也自行供能的紫外光波段的光偵測器，近來用奈米線排列的基底陣列廣泛地研究於自行供能元件，但是卻少有用單根奈米線去驅動實際的元件，多層奈米碳管-氧化鋅的核殼奈米線在波段325奈米下的雷射光具有200 A/W響應、高增益可達800，同時在無外界偏壓提供下能夠持續地驅動液晶顯示器，除此之外，多層奈米碳管-氧化鋅的核殼奈米線在真空下依然有高反應速度的表現，反應時間29毫秒、回復時間30毫秒，這都來自於徑向蕭基介面與薄膜氧化鋅的優點，我們以核殼奈米結構提供了多功能的可看性應用。
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導模共振奈米光柵係近年來製造生物晶片的新興方法，開啟了新世代生醫感測發展的另一重要領域。為了確保其檢測之穩定性，可重複性，乃至量產重現性，在這篇論文中，我們的研究主要著眼於特定粗糙度對於導模共振奈米光柵分別在近紅外光及近紫外光波段操作下的影響。為此，本文所設計之導模共振奈米光柵不論是在近紅外光或近紫外光波段均擁有非常窄頻之反射式半高全寬光譜響應，以增強光柵表面感測的靈敏度；藉由待測生醫材料之被覆及粗糙度幾何分形之疊加，造成光柵結構折射率的微量變化，引起反射光譜共振峰值的飄移，達成生醫檢體濃度及粗糙度尺度的逆向推演與預測。 我們接著針對幾種特定光柵粗糙度（例如，隨機分佈，正弦分佈，矩形分佈，等效介質分佈等），以簡化之相關長度ξ及最大粗糙度之均方根值σ，從數學上具體描述粗糙度之功率譜密度函數，透過嚴格耦合波理論，量化導模共振奈米光柵因粗糙度所造成反射共振峰值的飄移量。 模擬結果令人驚訝的是，在近紅外光入射下，在某些特定ξ值中，垂直側壁粗糙度σ值即便高達 10 奈米，反射共振峰值依然不會飄移，因此在σ-ξ圖中所闡述之反射共振峰值產生帶隙狀條紋區域，我們把它類比於光子晶體中的能帶區域，並稱之為「類能隙」。換言之，若垂直側壁粗糙度之尺度，落在σ-ξ圖中之類能隙區域內，其副作用對於導模共振奈米光柵之檢測能力是微不足道的。因此，在奈米製程線寬邁向僅十幾奈米尺度的同時，如能將光柵之類能隙區域透過σ-ξ作有效控制，將使垂直側壁粗糙度公差具高度容忍範圍。惟獨表面粗糙度即便小於次奈米尺度，仍然對於導模共振奈米光柵造成顯著的共振峰值的飄移，甚至造成無效的光譜識別。 另外，為因應更短波長的近紫外光入射於更小線寬的光柵尺度，令其具有較大的檢測鑑別率，我們首先定義了製程窗口函數η，用於量化類能隙出現的概率。我們發現若要求η= 90％時，則σ的公差容忍範圍在近紫外光和近紅外光的情況下幾乎沒有太大差別。因此，在實務製程條件下，近紫外光入射毋須另外訂定更嚴格的製造公差極限。 未來，在奈米製程線寬邁向僅十幾奈米之尺度的同時，如能將光柵之類能隙區域作有效控制，將使垂直側壁粗糙度等製程公差，具有高度容忍範圍，以提昇元件製程良率。
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矽晶太陽能電池在太陽能產業上依舊佔有大部分的, 其原因主要來自於矽晶太陽能電池的穩定與半導體工業的成熟有很大關係。本論文主要在討論N型矽基板太陽能電池的模擬結果, 根據目前市場上已量產的N型太陽能電池, 像是SunPower的指叉式太陽能電池, 以及Yingli的雙面照光型太陽能電池, 分別進行模擬與分析。 摻雜離子主要是利用離子佈植的方式進行摻雜。接著考慮熱退火條件中, 乾氧對在N型矽基板的硼的影響來做片電阻模擬。再來考慮實際上各種不同的熱退火條件, 與實驗進行較正後, 建立一個模型來預測不同退火條件下的片電阻。 從上所得到經過修正的摻雜離子分佈可以用來進行之後N型太陽能電池的模擬。我們會討論雙面照光型太陽能電池的好處以及設計重點。 最後藉由逆向工程分析, 我們能了解目前 SunPower 的指叉式太陽能電池設計的重點, 以及設計時是如何考慮各個參數, 最後將逆性工程的參數帶進我們的模擬軟體裡進行模擬。
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本篇論文中，我們用C++程式語言發展了一個平行化的三維有限差分時域模擬器架構以計算漁網結構超穎材料以及金屬奈米顆粒的總散色截面。我們計算了不同參數的磁共振器和漁網結構的穿透/反射頻譜以及直角三角形稜鏡的光學性質。另外在表面電漿領域，我們計算，入射波正面射時奈米金屬方塊的總散射截面，並且發現當波長在總吸收截面的峰值時，近場的振幅會有較大的值。另外我們計算了三種入射和偏振方式的兩顆球的總散射截面，並且和譜方法結果做比較。最後對於奈米金屬平行板的情況，我們計算了當入射波正面入射在板平面上時的總散射截面，並且發現在平行入射電場方向的板子長度和總散射截面的峰值的頻譜位置有強烈相關的現象。
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兩種有關於增益調製的雷射二極體之時序跳動特性的方法將被實現比較於理論和實驗。積分法使用了單邊帶(SSB)相位雜訊頻譜的頻譜面積來計算方均根(rms)的時序跳動。另一種方法，諧波分析，則是利用高次諧波的最高雜訊功率來得到時序跳動。儘管這兩種方法皆被證實是準確的，但是還沒有人做過其完整的比較。本論文首先展現出強度雜訊和時序跳動皆可藉著把兩種方法實現於Labview程式來有效地被特性化。結果表現出積分法(1.1ps)和諧波分析法(1.25ps)得到一致的時序跳動值於擁有外腔的增益調製雷射二極體。此兩種方法也被比較討論於二極體增益的Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW)被動鎖模雷射雜訊量測且都得到2ps的方均根時序跳動值。此結果表示無論是諧波分析法或積分法皆可以成功地用來計算時序跳動。
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利用超快光學方式來產生並偵測具奈米尺度波長與次兆赫(sub-terahertz)頻率音波的技術(picosecond ultrasonics) 已廣泛地被用來評估與研究奈米尺度下的物理現象。先前研究中，因忽略邊界效應，激發之音波主要被視為於晶體塊材內傳播的縱波與橫波模態。而另一方面，奈米結構之共振特性(confined acoustic modes)雖亦被大量地探討與研究，然而音波因受奈米結構邊界之侷限而產生離散波導模態(guided modes)與特定色散關係的傳播特性卻鮮少被討論。故在此研究內，我們欲利用激發探測法(pump-probe technique)，以具奈米厚度之金膜吸收激發光(pump beam)而熱膨脹，進而產生奈米等級波長之音波在砷化鎵奈米柱內以波導模態傳播，再以探測光(probe beam)偵測其反應。在理論計算上，我們用發展於共振超音波頻譜分析(resonant ultrasound spectroscopy)之計算方法處理砷化鎵奈米柱的非等向性，在假設柱體為無限長，邊界沒有受應力的條件下，可得被侷限在奈米柱內傳播之波導模態的色散關係與特徵場型。而在實驗上，我們對一系列不同尺寸的奈米柱分別在不同的探測光(probe beam)波長下做量測，由實驗結果我們歸納：(1) 在探測光波長為880奈米，所觀測到的震盪訊號主要來自於柱體的徑向呼吸震動模態 (radial breathing mode)，然而(2)在波長為1120奈米的探測光的條件下，柱體直徑小於300奈米以下的樣品，所觀測到的震盪訊號主要來自於表面奈米金盤的振動。在此情況下，此訊號同時伴隨著回音的產生。我們推測此震盪訊號的轉變和奈米金盤的侷域表面電漿子共振(localized surface plasmon resonance)有關。藉由其效應，奈米金盤可視為一感測器去偵測由底部反射回來的回音。此回音代表由金盤振動所耦合的波導模態在柱體內的傳播以及在柱底不連續介面的反射行為。由實驗結果分析，音波在奈米柱內的確呈現出不同於塊材內的傳播行為。且其回音時間符合波導理論預期。同時實驗中也顯示，不同模態因介面不連續所造成的反射率不同，其中我們推估主要激發之低頻模態其反射率為0.5+-0.2。
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光波導在近年來光通訊領域的使用上越趨普遍，可用來做為積體光學的通路或是邏輯閘，也可當作兩條光纖在對接時的橋梁。而在製作光波導的方法中，利用光照型有機高分子聚合物自發生成光波導的方法近年來正逐漸受到重視，特別它可用來連接兩條光纖的接合處，讓通過的光可以沿著光波導傳遞減少散失的能量，因為製作成本低並且效率高、並且可以沿著光行進方向生成波導，在光互聯的應用具有非常大的潛力。 只是此種製作流程在先前的實驗論文中並沒有考慮到其化學部分的變化的理論模擬方法可以預測其產生反應的過程與最後的形貌。目前可找到的參考文獻中大多都是用光束追跡法或光束傳播法來算出光強度分布作為聚合物固化的近似條件。而實際光聚合反應化學反應的過程未列入，因此只能模擬出大概的形貌及趨勢。在此論文中我將整個實驗過程中的入射光電場模態、起始劑和聚合物單體分子濃度的化學反應動力方程組都以數學模型做完整的架構，試圖將此種製作波導的方法找到最好的模擬架構。 而在此論文中，我將光波傳播的光束傳播法與光聚合樹脂固化的現象都以數學方程組耦合求解，藉此計算出起始劑和聚合物單體分子濃度在每個時間點的空間分布。和以往文獻所使用的方式不同的是，固化條件是設定為聚合物單體分子濃度降為原濃度0.25倍為準則。另外也進一步模擬斜向入射的兩道光束若能量不同時，其形成的光波導會在交會點合併而沿著能量較強的光束所生成的波導行進。模擬出的結果與參考論文的實際實驗結果吻合而且比其理論模擬的結果更接近實際的情況。