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高效率異質接面太陽能元件

為了得到高效率的太陽能電池，同時考慮元件光與電特性是必要的。在本論文中，將探討不同材料之異質接面太陽能元件之光電同步設計。第一、二單元討論矽基異質結構在太陽能元件上的應用。第三、四單元討論磷化铟薄膜異質結構在太陽能元件上的應用。 首先，為了克服高表面缺陷的奈米結構帶來的電性影響，在此研究中，包含奈米及微米的階層結構被用來取代傳統高表面積體積比的奈米結構，能夠達到比傳統奈米結構更佳的抗反射效果。就電性而言，利用適當的化學表面拋光，能大大提升載子生命期，與傳統微米金字塔結構不相上下，又同時保有奈米結構的高載子蒐集效率徑向p-n結。又由於非晶矽對晶矽有非常好的表面鈍化效果，能減少表面載子複合率，我們將此階層奈米結構運用在矽基異質接面太陽能電池上，能夠達到15.14%的太陽能轉換效率，是目前矽基奈米結構第二高的效率。與傳統的微米金字塔結構相比，一天能產出高於44.2%的功率。由於良好的表面鈍化，矽基異質接面能產生非常高的光伏，對太陽能分解水是非常有吸引力的。在第二部分，我們利用矽基異直接面設計產氫及產氧的光電極，同時考慮催化劑的光吸收、載子於電池中傳輸損耗，以及載子注入電解液中的速率，能保有非常高的光電流及光伏，達到目前最高的光陰極產氫效率(13.26%)。 接著，磷化铟一直以來是有潛力的太陽能元件材料，因為它的直接能隙及低載子複合率，但高昂的價格一直打壓它的實際應用。我們研發的薄膜氣－液－固成長機制可以成長橫向大面積磷化铟薄膜，有效克服這個問題，但目前材料特性及光電均勻性都還需要更多的探討。這裡我們發現利用氫電漿能夠有效改善橫向光電均勻性，氫離子能擴散至晶界進行鈍化，使得載子捕捉減少。由於電性的改善，在太陽能電池表現上能有明顯的光伏提升。最後，我們研發同時參雜p,n的成長方式，利用簡單的旋塗式玻璃做為成長的蓋子，在高溫薄膜氣－液－固成長時，允許磷擴散至铟成長磷化铟，載子也同時擴散進材料，達到參雜效果。此方法只需改變旋塗式玻璃的參雜p,n型及濃度，不同參雜濃度之三五族材料可以在同一時間成長，符合經濟效益，也提升了薄膜氣－液－固成長在光電元件上的應用。

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藉由複合型圖案化藍寶石基板以成長低缺陷密度之氮化鎵

在氮化鎵薄膜磊晶中使用圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrates, PSSs)可以減少穿隧差排密度(Threading Dislocation Density)以增加磊晶品質，以及降低缺陷密度(defect density)。和業界量產型圖案化藍寶石基板單一週期不同，我們製作的基板上微結構同時擁有兩種不同週期，但是我們發現隨著改變微結構不同的頂部c-plane大小和不同週期微結構之間的差異，成長於其上的氮化鎵晶體將呈現兩種截然不同的樣貌，並且受到不同的應力，且此應力會影響到後續製成電子元件之使用效率。 在最後的階段，論文會探討比較複合型圖案化藍寶石基板與量產型商業化藍寶石基板(Conventional PSSs, CPSSs)之應力與缺陷密度，利用複合型圖案化藍寶石基板之氮化鎵薄膜所受到的應力約只有量產型商業化藍寶石基板的一半，表示使用不同週期與結構的搭配，可以釋放氮化鎵薄膜上之應力與降低缺陷密度，進而提高電子元件之使用效率。

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以平行化時域有限差分法研究多段轉折奈米天線結構

時域有限差分法已被廣泛的運用在光電電磁模擬上，我們利用Ｃ++語言建構了一個三維時域有限差分法模擬器，並且擁有平行化功能，利用多台電腦透過訊息傳遞介面協定，以減少計算的時間。 本論文主要分析四種多段轉折奈米天線結構與陣列。我們先討論單個的多段轉折奈米天線，以一個寬頻的正向入射電磁波作為波源得到波長0.3 微米到4.0 微米區間的響應，並且計算天線間隙的局部電場強度增強及其相對應的共振波長，改變天線的臂長並觀察其對頻譜所造成的影響，接著，我們將天線擺放成陣列來觀察其特性，並且比較其與單個的多段轉折奈米天線的不同，最重要的研究結果發現，陣列的週期長度對天線陣列的頻率響應有重要的影響，這些將會在後面被討論，對於有更多轉折或更長臂長的天線，長波長的寬頻特性將會被觀察到。

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高速850nm砷化鎵垂直共振腔面射型雷射設計與研究

本論文探討短波長850奈米紅外光高速垂直共振腔面射型雷射利用低電容厚鈍化層之光調變高頻頻域量測與高速眼圖頻域量測。針對鋅擴散與傳統垂直共振腔面射型雷射在小訊號模型之共振腔鏡面阻抗進行分析。論文內容包含磊晶結構設計、製程步驟與優化、光電直流特性分析、高頻頻域量測、小訊號模型分析和高速時域眼圖量測。 第一章，將介紹光通訊之優勢及垂直共振腔面射型雷射的發展背景和未來展望，探討850奈米短波長在通訊上之應用和高頻高速雷射的基本物理之限制。 第二章，利用軟體PICS3D模擬垂直共振腔面射型雷射主動區內不同銦比例觀察其高頻特性之表現。參雜高銦之主動區，對整體轉移函數是提升，原因為本質函數內的閾值電流降低和微分增益提高。藉由四乘四Luttinger-kohn的等效質量理論描述重價帶與輕價帶的價帶次能帶劈裂，探討高形變材料能帶電子電洞之分布，提高調變頻率之垂直共振腔面射型雷射之主動區設計。 第三章，介紹垂直共振腔面射型雷射之研製。探討傳統氧化式和鋅擴散氧化式垂直共振腔面射型雷射在相同孔徑、控溫25℃下的直流特性之分析，包含光電曲線、光頻譜分析、微分電阻、最大量子效率和光電轉換效率之量測。 第四章，探討傳統氧化式和鋅擴散氧化式垂直共振腔面射型雷射的調變速度和能源效率做分析，眼圖和誤碼率之量測。最後，利用小訊號等校電路模型萃取元件內部之電阻、電容和電感進行分析。探討雷射本質轉移函數和電路轉移函數之高頻限制，由熱效應、阻尼效應和電路寄生效應的三個面向進行討論。最後進行結構及製程的優化達到更高更快的資料傳輸與調變速度。

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奈米結構應用於大面積空間電荷限制電晶體以及矽核光纖耦合

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具大尺度孔徑之非機械式可調變固體光圈

光圈是光學成像系統中重要的元件之一，利用光圈、快門、透鏡組與其他光學元件在系統中的相對位置，能有效調整影像上的特性，例如:景深、通光量、特殊效果之拍攝等。 至今許多文獻提出許多不同型式之可調光圈，其中大多為光學液體式以及電濕潤式之調變光圈，亦有利用微機電型式製作之微機械式光圈，然而很少有研究顯示能適用於智慧型手機鏡頭之可調變光圈，因其光圈需具備使用壽命長、低成本、高速製作穩定性、卓越的可調性以及良好的光學特性。 本研究論文提出之光圈具備低成本、結構簡易、元件輕薄、壽命長、非機械式光圈，其主要原理採用PDLC之電場效應使高分子孔洞內之液晶分子受電場影響而偏轉，此時形成透明通光區域，可視為一可調變光圈。 實驗結果顯示本論文提出之光圈直徑可調範圍為2.8 mm ~ 4.4 mm (g = 20 μm)，線性調變響應可達19.57 μm/V (g = 20 μm)，且經由不同製程參數可快速客製化光圈元件，此光圈元件預期能應用於智慧型手機攝影、可調光學衰減元件、快門以及運用於其他光學系統中。

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玻璃纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖之發展與應用

摻鈦藍寶石為常見的寬頻螢光與雷射材料。其常使用於寬頻可調波長雷射、鎖模雷射與生物量測系統，如:光學斷層掃描儀系統與受激拉曼光譜儀等。然而，摻鈦藍寶石有兩個相當大的缺陷:低吸收單位截面積與螢光生命週期短。因此摻鈦藍寶石之幫浦光飽和功率相當的高，以達到低閥值之雷射輸出相當不易。因此摻鈦藍寶石塊材無法以在低於雷射閥值下，以強寬頻光輸出，難以直接以自發放大輻射做運用。 以雷射加熱基座生長法成功的生長出直徑小於20微米的摻鈦藍寶石晶體光纖。由掃描式電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡影像可得知在摻鈦藍寶石波導結構中的最低傳播損耗來自於高品質晶體、表面平緩且均勻的纖心，其有效的降低萊利散射(Rayleigh scattering)。玻璃纖衣提供了一個對於環境變化不敏感的結構，且提供了對幫浦光與訊號光有良好的重合，相對於塊材結構而言，其有效的提升光學效率。 以玻璃纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖做為寬頻且高亮度自發輻射增益光源。以一個雙向路徑的架構，其背向自發輻射增益之功率增益相當的顯著。以2顆1 W波長為520 nm之半導體雷射做為激發光源下，其自發放大輻射功率可達42 mW。其光源頻寬163.8 nm且高斯分布形貌之輸出頻譜與77.59 W∙mm-2sr-1之亮度相當適合於光學斷層掃描儀系統之運用。其系統需要提供高空間解析度與低影像干擾之光源。 以內腔式摻鈦藍寶石雷射做為運用，其高效率雷射之波導結構可在本論文中證實於波長532 nm之固態雷射以及波長520 nm之半導體雷射做為幫浦光下。因增益波導效應，其輸出模態近乎為單模輸出。以半導體雷射做為幫浦光源下，吸收雷射閥值與吸收光轉換效率分別為118.2 mW與29.6%。且在1 W幫浦下，其最高的輸出功率為215.8 mW。根據我們所知，這是第一個達到低閥值且高輸出效率之半導體雷射激發摻鈦藍寶石雷射。 以外腔式摻鈦藍寶石雷射做為使用，其雷射閥值為低於文獻最低值為37.3 mW。以17.8%輸出耦合鏡時，其雷射閥值與雷射轉換效率分別為123.2 mW與18.6%。寬頻波長可調可以雙折射率濾波片與刀鋒光柵達成。以雙折射率濾波片做為波長可調元件時，其輸出功率超過50 mW的頻寬可達125 nm。以光柵為可調元件時，光柵提供的高色散特性有助於光譜選擇，使其可達到180 nm波長連續可調。對於摻鈦藍寶石廣泛運用於寬頻光源，寬頻可調及鎖模雷射之領域，玻璃纖衣晶體光纖應可有機會在未來具有重要的地位。

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眼壓光學傳感器的改良與其光學特性的模擬

對於青光眼的患者而言，監控眼壓變化為重要的診斷項目，所以需要有觀察裝置。眼壓監控是普遍用於調控抗青光眼藥劑劑量和頻率的必要條件。 在論文中，我們提出一個完全被動的，非侵入性的光學裝置，且可監控眼壓。此裝置是利用隱形眼鏡上做圖案結構，再利用兩層疊合形成莫列條紋進而量測，並利用豬眼為樣本，量測豬眼角膜的曲率半徑隨者注入水壓的變化情形。我們並利用TracePro光學追跡軟體建立光學模型，以模擬光場情形。也製做了兩種眼壓光學傳感器置，於豬眼上做檢測。與一些其他眼壓計比較，我們的裝置較單純，被動式，沒有嵌入電路，並預期能用於監測青光眼患者的眼壓變化。

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可應用於微型光開關之雙平衡位置機構設計與分析

本研究將開發一微型雙平衡位置機構，未來期望將此技術應用於平面顯示器之光開關，使平面顯示器更加輕薄。此外，雙平衡位置機構可以在不供應能量下，保持其穩定位置，具有省能的效果，相較傳統液晶面板耗電量能大幅降低。本文將探討雙穩態結構樑於不同長短、粗細、厚度的結構設計，以及閂鎖卡榫式結構的實驗結果，並且針對電熱閂鎖卡榫式微機電開關之溫度分佈、位移量、臨界電壓等加以討論，最後是光開關之功率量測。在本研究已成功設計出具有雙穩態特性的雙穩態結構樑及閂鎖卡榫式微機電開關，對比度相較之前的研究提升至約17.3。

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在三維泊松-擴散飄移、薛丁格、藍斯蓋特模型之下氮化銦鎵發光二極體中的載子傳輸之數值模擬探討

由我們實驗室開發的三維有限元素帕松與漂移-擴散模型能夠與 各種方程解結合來模擬載子傳輸與元件特性，不過目前很難與薛丁 格方程式做結合，所以我們使用了三維有限元素帕松與漂移-擴散模 型結合藍斯蓋特理論。藍斯蓋特理論能夠考慮有效的量子位勢，並 解Hu(r) = (-Δ+Ec;v)u(r) = 1 類薛丁格方程式，這不只能夠避免直 接解需耗費大量時間的薛丁格方程式，還能夠在三維帕松與漂移-擴 散模型中考慮到有效量子位勢。在計算帕松與漂移-擴散模型前，我 們運用了隨機合金分佈擾動產生器得到原子分布以及解應變方程。 在第三章中，考慮藍斯蓋特理論之後的位勢較高且較為平滑導致較 平整的載子分佈。在平均銦含量為14、17與20百分比的發光二極體 中，考慮藍斯蓋特後所解出的極化位勢能夠導致啟動電壓降低。但 在銦含量為11百分比的發光二極體中，是否考慮藍斯蓋特的啟動電 壓差距並不大，因為壓電場極化較小且能帶較寬。在第四章中，我 們模擬了載子在波動量子井厚度的傳輸。在量子井厚度有波動的情 況下，極化電場下降導致在位勢屏障，在不考慮藍斯蓋特所解出來 的啟動電壓會隨著波動量子井厚度增加而降低。然而，啟動電壓在 考慮藍斯蓋特理論下，並不會隨著波動量子井厚度增加而降低，波 動量子井的厚度增加會導致量子井變小增加限制。