臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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本論文包含兩個部分：第一部分利用薄膜電晶體為底的生物感測器量測蛋白質與配體的反應行為，再來則是討論生物化學反應和反應速率常數。 蛋白質與配體的交互作用一直是各大藥廠非常有興趣的議題。我們的生物感測器結合金感應板、以及微流道系統，以量測生物分子的電特性及流體的訊息。待測生物分子藉由濃度梯度而流動，當此待測物經由微流道流至金感應板，電晶體的電流會因此升高。 我們首先分別量測蛋白質及配體的訊號，最後將配體引入蛋白質並觀察其反應行為。 第二部分所討論的生物化學反應是在人體代謝途徑中重要的一環。首先將生物感測器的金感應板加上用來連結的分子，以增加待測物被感應到的機會。藉由量測不同濃度組成的溶液，可得到電流變化及濃度的關係。我們的生物感測器可分辨完全反應及不完全反應兩種情況，同時也能觀察反應速率常數與電流變化的關係。
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高功率發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)在照明的應用上日趨普遍，因此LED的發光效率衰減(efficiency droop)是一個值得關注的議題。LED的效率衰減可分為兩類，一是由電流增加所造成的發光功率下降，簡稱為J-droop，另一則是由溫度增加所造成的效率衰減，簡稱為T-droop [1]。 本論文在相同的磊晶條件下，設計週期均為3um六角型排列的三種不同深度(深度分別為2.55um、2.65um、2.75um)的圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrates, PSSs)，利用電致發光(Electroluminescence Measurement System)積分球, 搭配溫控器，分別對封裝好後的三種不同深度PSS的LED進行變溫測量(5度C~80度C)，發現對單一樣品而言，溫度越高，T-droop越明顯。且電流密度越高，T-droop越不明顯。 此外吾人亦有一批未封裝的相同wafer，並用266nm的雷射光源對其做光致發光(Photoluminescence Measurement System)，得到磊晶品質的排序，與電致發光得到的結果相呼應。應證了磊晶品質較佳的LED有較好的溫度容忍度(temperature-tolerant)，亦即磊晶品質越好者: 溫度升高，T-droop越小，且在相同溫度下EQE越佳。說明了如需將LED在高溫下操作，則該LED的磊晶品質需越好。
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自液晶應用於顯示器以來，廣泛的出現在我們生活周遭，如液晶電視、平板電腦、智慧型手機及大型廣告面板等，極大的優化了資訊呈現的方式。傳統的液晶顯示器雖然有很多優點但響應時間慢，很難滿足人們對大容量高幀頻顯示器的要求。近幾年研究人員研發出一種新型的液晶材料藍相液晶(BPLC)，存在於向列相與各向同性相之間。藍相液晶顯示器因具有工藝簡單、高對比、寬視角和快速響應等優點被廣大學者爭相研究。但是，驅動電壓高和穿透率低等問題，為制約藍相液晶顯示器商業化生產的主要瓶頸。 本論文使用TechWiz模擬軟體來設計基於三角形凸起物的三種電極結構來改善藍相液晶顯示器的操作電壓和穿透率。第一種電極結構將增強型梯形電極結構改成等腰三角形單側電極結構，通過優化等腰三角形凸起物的間距可以得到更高的穿透率以及更低的操作電壓；第二種電極結構在第一種電極結構基礎上將等腰三角形凸起物改成直角三角形凸起物，並探討了只在斜邊有電極和斜邊與直角邊都有電極的情況，比較了不同盒間隙的電壓-穿透率曲線，結果兩邊都有電極會有更高的穿透率。接著探討在有浮接電極情形下將直角三角形電極結構取代反正弦和反橢圓形狀電極結構，穿透率和操作電壓有改善；第三種電極結構是埋入式牆形電極結構，由於之前電極結構的不對稱需要調節兩種凸起物間距，且不同區域穿透率不能同時達到最大值。埋入式電極結構由於電極是牆形，所以產生的電場非常水平；由於結構是對稱形狀，所以只需要調節一種凸起物間距，不同區域的穿透率可以同時到達最大值，穿透率高達約95%，進一步減小凸起物寬度，可以減小操作電壓，有很大的改善。
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在製作以藍寶石為基板的氮化鎵(GaN)類發光二極體(Light-Emitting Diodes, LEDs)時，由於磊晶層與基板間的晶格常數及熱膨脹係數不同，將使磊晶層受到壓縮應力(Compressive Strain)，並產生大量穿隧差排(Threading Dislocations, TDs)，導致降低磊晶層的品質及LED發光效率。透過圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrates, PSSs)是一種可以有效減少壓縮應力和穿隧差排的方法，並且可以提高光萃取率和發光效率。 本篇論文將探討在PSS的設計中，如何調變表面結構來減少穿隧差排密度及壓縮應力。吾人利用電子束微影系統搭配我們的濕蝕刻技術，在C-Plane的藍寶石基板上製作一系列不同週期、不同結構大小、但深度同為1200奈米的表面微結構，並使用有機金屬化學氣象沉積系統來磊晶。透過PL光致激發系統及Raman光譜儀系統，我們發現在基板表面微結構相互夾止成特殊”鷹嘴狀”或是”三芒星狀”時，將達到主動層之穿隧差排密度的最低點，而其LED元件也擁有最佳的發光效率。在其中，我們證明效率衰減起因於主動層之穿隧差排，而且以四方(Cubic)排列之週期性結構相較於六方(Hexagonal)排列的結構，擁有較佳之發光效率。
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現在論文判斷頻率選擇表面縮小化能力的方法主要是以頻率選擇表面之週期為其共振波長的多少百分比而定，但是這個判斷標準有一些不完備的地方，比如同一種縮小化的設計若是把週期做的越大、或是線寬做的越窄，則其週期往往會佔其共振波長更小的比例。為了不讓頻率選擇表面之週期大小和線寬的寬窄影響對縮小化設計效果的判斷，本論文提出了一個新的指標可以更客觀地判斷縮小化設計的效果並且可以預測同種縮小化設計在不同週期下的共振頻率。 本文提出的新穎極縮小化頻率選擇表面利用將相鄰單元週期之間的金屬圖案勾在一起的新穎設計大幅增加了頻率選擇表面單元週期的電容，搭配圖案中間的繞線增加電感，設計出了縮小化程度非常高的頻率選擇表面。在週期3.9mm之下其週期只有共振波長的5.2%為所有未加入集總電路元件(lumped element)之單層頻率選擇表面中最小的。本文後段更進一步的在單層的新穎極縮小化頻率選擇表面中加入了第二層的設計。藉由一二層之間電容大幅增加整體頻率選擇表面的電容，把縮小化程度進一步提升，其單元週期更小僅為共振周期的1.7%是所有雙層頻率選擇表面當中最小的。
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在我們現在的生活中，液晶材料已廣泛地被應用在許多方面上，但由於傳統使用的水平或垂直配向液晶仍然需要配備偏光片，這使得背光源的使用效率降低。為了克服此問題，高分子聚合物分散型液晶這種由液晶和高分子聚合物單體所組成的材料應運而生。因其特殊的光電特性，高分子聚合物分散型液晶不需要使用到偏光片。但為人詬病的是高分子聚合物分散型液晶的操作電壓較一般液晶高。高分子聚合物分散型液晶的操作電壓會較高是因其液晶分子被高分子聚合物單體所包覆，而形成一顆顆的液晶微滴，在此微滴中液晶分子與高分子聚合物單體的介面間有表面錨定力而造成液晶分子不易因電場的施予而轉動。故降低高分子聚合物分散型液晶的操作電壓是我們首要的課題。 在本論文裡，我們希望藉由微影技術設計出不同地圖案化玻璃基板使高分子聚合物分散型液晶的液晶微滴能在圖案化玻璃基板上排列整齊並且更均勻，進而能降低高分子聚合物分散型液晶的操作電壓。因光學顯微鏡的解析度不夠觀察高分子聚合物分散型液晶的液晶微滴排列情形與是否均勻，故需利用電子顯微鏡來做觀察。但是因為電子顯微鏡是電子束去掃描表面結構來拍攝，因此須將做好的高分子聚合物分散型液晶元件拆開，在拆開的過程中會碰到高分子聚合物分散型液晶膜被破壞的情形所以我們利用全氟十二烷基三氯矽烷來當作脫膜劑幫助將高分子聚合物分散型液晶膜脫落。最後在此實驗中，我們成功地將週期10um，air duty cycle 85%的圖案化玻璃基板高分子聚合物分散型液晶的閥值電壓下降11%與飽和電壓下降2.5%。比較掃描式電子顯微鏡的拍攝結果，推論在ridge上無微滴時，會使液晶微滴在ridge與trench的邊界處產生較大的液晶微滴，並且排列整齊，而根據高分子聚合物分散型液晶的理論可以得知，若液晶微滴較大時的在液晶分子與高分子聚合物介面上的錨定力弱，故液晶分子較易受到電場的影響而轉向。
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本論文利用蝕刻錐形光纖探針做為檢測的主軸，根據Snell折射定律，此錐形光纖在液體環境下，入射光於錐形光纖針尖內會形成全反射，形成相當程度的近場光源，在液體折射率由低變高時針尖的近場光會耦合至遠場，造成遠場繞射的光強度與光場分佈變化，此遠場訊號配合適當的收光面積，可以非常靈敏、即時的量測到微量液體的折射率變化，在論文中第一部份為利用此錐形光纖的近場光學特性，檢測假酒中的甲醇及水的含量。另外此針尖的近場光也會因微小透明顆粒的靠近，耦合至遠場，造成收光強度明顯的增強，在論文中第二與第三部份，由此技術結合介電泳力應用於偵測水中大腸桿菌含量，並利用離焦技術及特異性抗體修飾，提升大腸桿菌檢測靈敏度及專一性檢測能力。 論文的第一部份，是描述利用靈敏度高於5000 %/RIU並具有32°錐角的錐形光纖，來測量假酒的訊號變化，在量測不同濃度混合比例的乙醇與甲醇的液體時，從訊號變化可明顯看出，不同比例的混合酒其揮發速度與折射率變化的關係，利用預先量測出的標準折射率變化曲線，可做為鑑別假酒的參考值，同時也利用此光纖量測不同品牌的酒、檢測體積、溫度以及滲水的假酒各情況下的訊號變化，靠著量測初始的折射率值以及揮發速率曲線，可清楚辨別上述各個條件的差異情況。 在論文中第二部份裡引入介電泳力的應用，為了在針尖產生介電泳力以做為生物檢測的應用，於蝕刻光纖表面鍍上鈦及鋁金屬，並將交流電通入光纖針尖與相對應的透明導電玻璃上，藉此產生介電泳力，當外加電壓於鍍鈦及鋁光纖後，於量測1.36微米小球溶液以及大腸桿菌水溶液時，可利用介電泳力將小球及桿菌吸附於光纖尖端，達到聚集及快速檢測的效果，當小球及桿菌被吸附於針尖上時，針尖的近場光被散射，由遠場光強度可鑑別出各別的濃度差異，小球及大腸桿菌的檢測極限分別可達1 particle/mL及 20 CFU/mL。 在論文中第三部份介紹光學離焦技術及影像分析，藉此可進一步提升檢測靈敏度，靠著分析在不同蝕刻溫度下各光纖針尖的折射率靈敏度，找出最佳蝕刻的錐狀光纖角，利用離焦技術並配合最佳蝕刻溫度所製成的光纖，進一步提升光纖的折射率檢測靈敏度，在相同折射率區間下，離焦0.72 mm後的訊號強度變化比起焦平面提升約30倍以上。當在鍍鈦及鋁光纖上產生介電泳力檢測桿菌時，利用離焦技術及配合影像分析，與使用40x物鏡離焦0.1 mm的條件下，可獲得比起焦平面上訊號多2倍以上的變化量，此外於鍍鈦鋁光纖的針尖表面修飾專一性抗體，使光纖擁有專一性檢測菌種的能力，結合適當的介電泳力及配合流道內穩定的流速，可檢測出約低於103 CFU/mL的桿菌濃度。並用非專一性桿菌與專一性桿菌的測試比較，鑑定錐狀光纖檢測的專一性能力，而以此證明專一性桿菌比起非專一性桿菌有3倍以上的訊號變化。
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液晶顯示器在我們現今的生活中扮演重要的角色，幾乎所有電子產品都需要顯示器作為人機之間的界面，而快速響應時間的顯示技術一直是我們所追求的目標，在LED產業趨於成熟的狀況下，色序式顯示器也將更有機會成為下一個面板世代的主流。本研究針對具有快速響應時間的垂直配向邊緣場效驅動（Vertically Aligned Fringe Field Switching , VA-FFS）進行模擬分析，希望能夠改善其穿透率表現，雖然雙邊的結構（VA-DFFS）能夠提升穿透率至90%，但由於雙邊結構會有製程上的錯位 （misalignment）問題，嚴重影響光電曲線。因此我們提出了一種單邊的新型三維電極結構（3D VA-FFS），目的是縮減原本VA-FFS在y方向上的穿透率無效區（dead zone），來提升整體的穿透率表現，在研究過程中發現三維電極結構雖然提高了y方向上的穿透率，但是由於對角線dead zone的出現，整體穿透率不但沒有提升，反而嚴重下降。因此我們再加入四分之一波片於三維電極結構的液晶層前後，使得光在行經液晶層時，能以圓極化光的型式通過，藉由改變光的偏振態，我們成功消除了對角線上的穿透率無效區，達成提升穿透率表現的目的。 本研究中也比較了不同電極寬度W與不同電極間距G之下，二維電極結構（2D VA-FFS）與三維電極結構（3D VA-FFS）之光學特性與響應時間，我們希望能夠在不失快速響應時間的特性下，找到改善穿透率的最佳電極尺度。由模擬結果中發現，當電極寬度W增加時，3D VA-FFS能夠同時提升穿透率和降低操作電壓，這是2D VA-FFS所沒有的優勢，然而電極寬度W的增加，卻也降低了液晶分子的響應時間，使得光電特性和響應時間形成一個取捨（trade-off）的關係。此外我們也發現電極間距G的增加，會明顯降低3D VA-FFS的穿透率，因此我們不宜選擇太窄的電極或是太大的間距，而最後我們也作了不同形狀的pixel電極，來分析哪種形狀下能夠將穿透率無效區減至最低，以得到最佳的光學表現。
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摻鈦藍寶石晶體為常見的寬頻雷射材料，其3-dB頻寬可達180 nm，廣泛地使用於寬頻可調波長雷射、鎖模飛秒雷射；而其中心波長為780 nm之螢光波段落在常見的人體組織之低吸收區域，因此被廣泛使用於生物醫學影像量測技術，如光學同調斷層掃描術(OCT)等。使用LHPG法生長纖心直徑為16 μm且低傳輸損耗(0.075 dB/cm)之玻璃包覆摻鈦藍寶石晶體光纖結構作為雷射之增益介質，可以提供高強度幫浦與訊號光，並克服摻鈦藍寶石晶體本質上的兩大缺點: 低吸收截面積與低螢光生命週期，達到低閥值且高效率之摻鈦藍寶石雷射。長度24 mm之玻璃纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖經由端面研磨與拋光處理後，利用介電質電子槍蒸鍍系統於晶體光纖端面鍍製設計之光學薄膜後，做為雷射增益材料。以520-nm綠光半導體雷射作為激發光源，無外加散熱系統下，架設內腔式、外腔式與波長可調式雷射。 在內腔式雷射架構中，以20%輸出耦合鏡下，其斜線效率與閥值功率分別為24.9%與140.5 mW，且在1 W幫浦功率下，最高輸出功率為215 mW，其結果同時展現高效率與低閥值雷射特性。在增益波導效應下，其雷射輸出近乎為基模。在外腔式架構中，在高反射輸出耦合鏡下，雷射閥值為37.3 mW，其結果低於文獻所記載值；在17.8%輸出耦合鏡下，雷射斜線效率與雷射閥值分別為18.6%與123.2 mW。以雙折射濾波器或光柵輸出耦合鏡做為波長可調元件，達到波長可調雷射。在雙折射濾波器做為波長調變元件下，其可調範圍為710- 860 nm，共150 nm寬。而輸出功率大於50 mW之可調區間可達130 nm寬，可提供足夠之功率應用。在光柵輸出耦合鏡架構下，可達到波長連續可調，其範圍為693.4- 876.5 nm，共183.1 nm寬，而3 dB可調頻寬為143 nm。其可調雷射特性充分應用摻鈦藍寶石180 nm之寬頻頻寬，而低閥值且高效率之特性，具有相當大的潛力可取代目前的摻鈦藍寶石雷射。
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利用第一原理軟體V.A.S.P.模擬四元合金銻磷砷化銦的能帶結構，並以雜化泛函（hybrids function）與自旋耦合效應（spin-orbit coupling effect）加以修正，模擬二元合金砷化銦、磷化銦與銻化銦的能帶結構，得能隙結果為0.416、1.325、0.178（eV），費米能量為2.979、3.211與3.823（eV） 模擬不同成份的銻磷砷化銦(（In4P3Sb1, In4As1P2Sb1, In4As2P1Sb1），得到的能隙為0.610、0.457、0.225（eV），費米能量為3.507、3.613與3.259（eV）。 In4As0P3Sb1中，當銻原子加入磷化銦中時，使費米能量上升，導電帶能量下降，能隙變小；在In4As1P2Sb1中，從In4As0P3Sb1中再加入一顆砷原子，因為砷原子的加入，使原子的排列變混亂，使費米能量提高，導電帶則維持在銻化銦附近；在In4As2P1Sb1中，因為在砷化銦中摻雜磷與銻原子，使費米能量提升，但與同樣為四元材料In4As1P2Sb1相比，發現費米能量卻降低許多，是因為砷的原子半徑較磷原子大，因為晶格內部的排列較不易混亂。 實驗中，摻雜銻原子後會使能隙下降，但經由態密度分析，發現銻原子在導電帶最低點並不提供態密度。