臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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在本研究中，我們成功利用非完美組成碳化矽薄膜進行光電元件的應用及研究。 在第一部分，我們成功利用非晶非完美組成碳化矽薄膜當作緩衝層成長氮化鎵發光二極體。利用富碳碳化矽薄膜當緩衝層時，氮化鎵發光二極體元件內的應力有效被釋放使得載子產生歐傑效應的機率降低。歐傑效應降低可以使整體元件光功率的增加。比較以富矽碳化矽當緩衝層，利用富碳碳化矽緩衝層時氮化鎵發光二極體元件有較低的啟動電壓至2.48 V，在操作電流100 mA下光功率可達106 mW，其最大外部量子效率和效率遽降分別為42.3%和7%。並且當，氮化鎵發光二極體成功轉印至金屬基板可以有效提供光電特性，其啟動電壓為2.6 V、增強的光功率為350-370 mW、增加的外部量子效率 43-45%、效率遽降為5-17% 在操作電流300 mA下。由於轉移基板的熱導係數不同會影響波長位移現象，因此轉移基板的熱導係數扮演重要角色。 在第二部分，我們成功製備出全非完美組成碳化矽異質接面薄膜太陽能電池，其元件開路電壓及短路電壓分別為0.51 V和19.7 mA/cm2，進而使得轉換效率及填充因子提升為2.24% 和26.4%。並與非晶矽薄膜太陽能電池結合形成堆疊式太陽能電池，其元件效率進一步提升至6.47%。 在最後部分，我們利用非完美組成碳化矽當作飽和吸收體應用於被動所模摻鉺光纖雷射。當碳化矽薄膜之碳/矽比增加至1.83，其薄膜之非線性折射率增加至3.86
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近年來，矽光子晶片電路具備多功能運算能力受到許多關注，因為它符合下世代全光資料傳輸處理的迫切需求。在此論文中，我們利用了非對稱富碳碳化微共振腔實現TE/TM極化資料的解調、雙埠克爾開關與全光邏輯閘。 首先，利用最小波導截面的富碳碳化矽非對稱微共振腔增強了非線性克爾開關，設計當中考慮波導尺寸、對稱性對波導的影響，並優化了間距與錐狀反向波導結構。富碳碳化矽非對稱波導有較好的光侷限性，以及非線性折射率至.44×10-12 cm2/W，此外TE模態有較好的光侷限性與雙折射的特性。利用此優化的非對稱波導可提供有效非線性全光開光，並應用於未來晶片上光電元件上。 接著，富含碳-碳鍵結碳化矽雙埠共振腔可為多功能矽光子集成電路上應用。首先，利用極化選擇性的共振腔可實行12-Gbit/sTE/TM極化資料的解調；由於雙埠共振腔有互補的穿透譜，可應用於克爾開關，同時實現正相與反相資料轉換；另外由於極化相關的TE/TM穿透譜，雙埠共振腔也可應用於全光及邏輯閘。 最後，TE/TM極化相依的碳化矽環波導結構可用於加載於幫浦光源上的振幅鍵、相位偏移鍵間的全光及邏輯閘應用，僅當幫浦光源在開啟，與其極化平行於環波導的模態，偵測光源可被調變。
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本論文主要介紹利用噴墨、親疏水性侷限效應、翻模技術製作曲面型液晶微透鏡陣列。製程主要分為兩個部分：微透鏡陣列及液晶盒的組裝。製作微透鏡認列的過程中，利用SU-8 光阻與自身微疏水之特性，並使用噴墨機台製作微透鏡陣列，再使用翻模技術翻在玻璃基板上。經過旋塗上透明導電高分子PEDOT:PSS 與利用SU-8 填平，我們在其上頭旋轉塗佈配向膜，並搭配另一個ITO 玻璃組裝成液晶盒。因為微透鏡的尺寸很小的關係，可以達到比較大的屈光度，並藉由之家電壓於液晶透鏡，改變內部的折射率分佈達到光線偏折的目的，進而與光學變焦系統做結合。
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在本論文中，我們展示了表面效應對氧化鋅電阻式記憶體的電阻轉換現象有很大的影響。 分析了超過400個電阻式記憶體元件在不同氣氛下的電性，我們發現到表面效應的影響。在吸附氧氣分子濃度較高的環境下，氧化鋅電阻式記憶體有較佳的電阻轉換機率。分析結果表明氧化鋅表面的吸附氧氣分子與氧缺陷構建的奈米燈絲兩者的交互作用對電阻式記憶的電阻轉換扮演很重要的腳色。此外我們也發現到電阻轉換機率可以藉由表面粗糙度來調控。表面較粗糙的氧化鋅電阻式記憶體有較佳的電阻轉換機率以及在不同氣氛環境下電性較為穩定。我們也做了電極相依性的研究。結果顯示金屬鉑的氣體吸附活化能較低。於是使用鉑作為氧化鋅電阻記憶體的電極有較佳的表現。
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本論文使用實驗室自行生長的摻鈦藍寶石晶體光纖之放大自發輻射(Amplified spontaneous emission; ASE)作為光源，搭配輕薄簡單的Mirau物鏡與收取二維大角度成像的CMOS相機，架設全域式光學同調斷層掃描系統，並展示量測人類活體皮膚的結果。系統於組織中的縱向解析度與橫向解析度分別為1.3 μm 與 1.25 μm。運用此系統可以在前臂、手掌、手指與手腕得到高解析度的皮膚影像，並可由影像觀察到真皮與表皮之交界、汗腺、毛孔與血管等。量測前臂端手腕、前臂、手掌與拇指腹的角質層平均厚度，按厚度排列，結果分別為4 μm、13 μm、141 μm、306 μm。除了角質層厚度，本論文也針對區域性的軸向散射強度特徵進行分析。 正交偏振光譜影像(Orthogonal polarization spectral imaging)有著高對比度特性，本論文使用其研究紅血球的動態變化，並與OCT三維影像進行疊合，深入探討皮膚內部動態特性。此外，紅血球在不同光源下的吸收程度不同，也會導致其與周圍組織的對比度差異。在560 nm的光源下，吸收顯著，該處較無光線返回，呈現黑色圓點；在780 nm的光源下，吸收較小，與周圍組織的散射情形沒有顯著差異，唯有血球外緣的反射光較難收取，可以觀察出血球邊緣輪廓。 最後，使用質點影像速度分析的技術，針對影像中的微血管與小血管進行紅血球的流速運算，並使用平均影像與追跡影像的差值之區域標準差，標定正交偏振光譜影像中的流動區域。流速計算之結果，微血管的流速大約在30 – 80 μm/s，小血管的流速則大約在70 – 100 μm/s。本論文展示之OCT結合OPSI的方法，可以得到皮膚的結構資訊與紅血球之動態變化，可能可以提供醫師一些疾病診療的參考。
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自十九世紀紅外光被發現後，紅外光偵測技術就開始不斷被研究，時至今日，紅外光已廣泛被應用於軍事、商業、學術和生活等領域，看好光譜儀裝置未來應用於隨身檢測的潛力，因此本論文專攻於其中不可或缺的光偵測器模組。 本論文中嘗試了兩種製作光偵測器的方法。首先，以石墨烯薄膜製作光偵測器，於具有轉移石墨烯薄膜的矽基板表面以微影製程製作電極和擋光層結構，製成石墨烯光偵測器，並以鎖相放大器量測微弱光電流訊號，並嘗試與量測中以外加偏壓加強光電流訊號。另一則是以蕭特基能障二極體元件作為光偵測器，先後以n型和p型矽基板製作蕭特基能障二極體元件，使用金(Au)與n型矽基板形成蕭特基接面，製作蕭特基能障二極體元件，量測發現可藉由半導體能隙吸收偵測能量大於矽能隙之光子。接著使用銅(Cu)與p型矽基板形成能障更小的蕭特基能障二極體，經量測發現，銅/p型矽蕭特基能障二極體元件，透過內部光激發吸收機制，可偵測到1.55微米的光通訊波段光子訊號，產生光電流訊號。 本論文中成功以石墨烯和矽之蕭特基能障二極體元件製作光偵測器，並架設系統或透過儀器量測，確認其光偵測能力，石墨烯和矽之蕭特基能障二極體元件都可確實偵測可見光訊號，其中銅/p型矽蕭特基能障二極體元件甚至可偵測到波長1.55微米的光子訊號，達成能隙下吸收(below band gap absorption)。
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隨著人類的科技發展及世界石化燃料的逐漸枯竭，能源議題在這個世紀以來受到廣泛的重視，各界極力投入發展替代能源，而太陽能具有取之不盡用之不竭的優勢，再加上對環境友善，並無額外環境之附加成本，使太陽能電池的發展成為目前人類解決能源短缺的絕佳方案。在眾多的太陽能電池種類中，鈣鈦礦太陽能電池以非常快之速度竄起，在短短6年間，從效率3%提升到效率21%，使原本研究高分子及染料敏化太陽能電池的團隊紛紛投入，並將原本的技術應用在鈣鈦礦太陽能電池上，得到不錯的結果。鈣鈦礦太陽能電池除了高效率的優點，也有大面積元件製程的潛力，並能將其製作在可撓性基板上，使電池具有更多元的應用，本研究針對鈣鈦礦太陽能電池進行研究，提出低壓鄰近蒸鍍法，及實驗室自製之腔體製作太陽能電池，並有別於一般製程必須於低水養環境之手套箱製作，本製程可於大氣下完成所有步驟，達到節省生產能源及兼容可撓性基板應用，並改良製程技術以增進元件的光電轉換效率。 本論文首先以溶液製程成長鈣鈦礦主動層，並使用簡單的一步驟製程步驟，將碘化鉛(PbI2)與甲基碘化胺(CH3NH3I)混合於二甲基甲醯胺(DMF)溶液使兩者均勻混和，旋塗於有導電高分子溶液(PEDOT-4083)之ITO導電玻璃，利用調變一步驟製程的濃度參數、轉速及燒結溫度來提升元件效率，並探討鈣鈦礦層其成長結晶，成功將元件轉換效率提升至10.55%。 由於鈣鈦礦的生長過程中非常易受環境中氣體的影響，再加上鈣鈦礦層的形成如果太快會導致晶粒小且雜亂，使介面接觸不好將影響載子傳輸，因此發展了一套新的低壓鄰近蒸鍍法的製程，並提出MAI/PbI2/MAI之三明治結構製備鈣鈦礦層，先旋塗一層MAI，再蒸鍍上PbI2層，再使用較慢速的蒸鍍方式來成長鈣鈦礦層，應用在旋塗有PEDOT-4083之基板上，完成ITO/PEDOT-4083/Perovskite/PCBM/PEI/Ag之P/I/N結構鈣鈦礦太陽能電池，經由調整參數並優化步驟像是熱清洗及三明治結構，得到了11.03%的元件轉換效率。 接著本研究將低壓鄰近蒸鍍法的製程繼續做沿用，因PEI為一層不導電材料，在過厚的PEI層下，其串聯電阻會有明顯的提升，降低填充因子，因而降低效率。 故決定利用BCP更換PEI層，能有效解決其原本元件之串聯電阻過高之問題，且經過優化BCP層厚度及最佳化製程時間及退火參數後，完成ITO/PEDOT-4083/Perovskite/PCBM/BCP/Ag之P/I/N結構太陽能電池，並將元件效率提升至14.52%。 最後，經由文獻所知，在有機光電元件的應用，其旋塗膜層時有一些技巧可以使主動層膜更為漂亮，像是利用異丙醇、氯苯等溶劑。故在本階段，提出在低壓鄰近蒸鍍法時，也引用類似的方式，將鈣鈦礦薄膜做一個提昇，並達到14.62%，並提升光電流。在這裡，製程有一些特色，製程皆在大氣或真空下進行，不需一般鈣鈦礦太陽能所需之低水氧環境，且為低溫下完成，是謂鈣鈦礦電池發展及在大量生產上的重大突破。
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本研究成功於玻璃基板上，提升具二氧化鉿背封裝鈍化層之p型氧化亞錫薄膜電晶體的場效載子遷移率，並針對氧化亞錫薄膜受退火溫度、時間和二氧化鉿鈍化層之影響，進行一系列之分析與研究。由於氧化亞錫屬於較不穩定的亞穩態，因此加蓋背封裝鈍化層能有效提升元件的穩定性。 實驗中利用反應式射頻磁控濺鍍系統以金屬錫為靶材在氧氣/(氧氣+氬氣)流量比4.2%的條件下沉積氧化亞錫薄膜，並分別於205°C、225°C、245°C的溫度下進行30秒、1分鐘、2分鐘和3分鐘的短時間退火，結果發現氧化亞錫薄膜具(101)結晶相。當以原子層沉積法沉積二氧化鉿背封裝層後，原先擁有較高開電流值的元件會開始衰退，而原先開電流值較低的元件，則因受原子層沉積製程中溫度與水氣的影響，使其開電流值提高。退火溫度越高，達到最佳載子遷移率所需的時間越短，以205°C退火條件為例，退火時間3分鐘時擁有1.25 cm2V-1s-1的最大載子遷移率，而225°C的元件是於2分鐘時擁有1.16 cm2V-1s-1的最佳表現，至於245°C則是於30秒時，達到0.76 cm2V-1s-1的載子遷移率，相較於未封裝之標準元件(225°C退火30分鐘)的載子遷移率0.40 cm2V-1s-1有明顯改善。而以225°C退火2分鐘的元件來說，當閘極偏壓分別為10 V和-10 V時，經10000秒後臨界電壓偏移量為0.24 V和-0.34 V，相較於未封裝之標準元件所得到之1.01 V和-0.69 V來說，以原子層沉積法沉積之二氧化鉿背封裝層搭配主動層短時間退火可有效改善p型氧化亞錫薄膜電晶體的特性。
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本篇論文以增透膜的特性為基礎，分析具有寬頻寬的多層增透膜之設計方法，再將該結構與波導模態共振濾波器進行結合，設計出能夠在特定波長具有高反射率，且在該波長區段以外的波長之反射率接近為零的濾波器。 在設計增透膜結構的時候，為了使結構能有寬頻寬的低反射率，在結構之中加入了虛設層，以增加增透膜結構低反射波段，並且計算增透膜結構之等效折射率，設定光柵週期。為了防止結構在可見光波段(400nm至700nm)產生複數模態，調整多層膜結構的中心波長與厚度，使結構在可見光波段僅有單模態。為了增加反射頻譜的半高全寬，分析最適合應用於濾光片的多層增透膜結構，使用了上下交錯型的雙層光柵。 在完成增透膜與光柵結構的設計之後，分析入射角與光柵厚度、占空率、位移距離對於反射率造成的影響與原因，並且針對三色光的濾波器進行光柵的調整。最後我們會計算濾波器可達到的色彩飽和度，與現今顯示器所要求的色彩飽和度進行比較。
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因現今積體電路設計不斷縮小化，微影技術將會面臨製程上的限制，在閘極長度縮小至七奈米下時，各種物理狀況如漏電流也越來越難加以控制，在這種傳統由上而下的縮小方式越來越難以發展的情形下，近來由於石墨烯具有相當高的載子遷移率，因此被視為下一代半導體電子元件的材料， 也就是所謂由下而上的建構方式，單層石墨烯因為其具有高穩定性、高載子遷移率，獨特的光學性質，對於未來取代目前以矽為主的半導體工業有著相當高的相容性。本研究先以化學氣相沉積法在銅箔上成長大面積的石墨烯，再將石墨烯轉印至二氧化矽基板上並利用電子束微影製作傳輸線模型以量測石墨烯與金屬的接觸電阻，透過紫外光光電子能譜與X光光電子能譜儀探討石墨烯與金屬的介面。為了更加降低石墨烯與金屬的接觸電阻，利用無高分子轉印石墨烯，不同於一般傳統的高分子輔助轉印法，無高分子轉印法沒有高分子聚合物的殘留，藉由分析元件電學性質的表現，像是接觸電阻與電子遷移率的比較，迪拉克點的位置以比較兩種轉印方法的優缺。而利用替代摻雜、表面摻雜等方式造成P-型及N型的石墨烯電晶體可調控的特性也陸續被使用，本論文中是利用表面摻雜的方式，藉由上下兩層金屬的電子轉移作用改善石墨烯與金屬的接觸電阻，並量測雙層金屬石墨烯結構的電晶體元其電性與一般傳統電晶體的比較。本研究最後成功的將化學氣相沉積法所成長出的石墨烯將其接觸電阻降低至單晶石墨烯的品質，未來有機會取代矽，成為半導體元件的主流材料。
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