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以拉曼頻譜探悉砷化銦之光學特性

本論文研究主題為以拉曼散射觀察不同濃度砷化銦光學特性，由拉曼頻譜中觀察到自由載子和縱向光學聲子耦合產生縱向光學模態，並由實驗裡觀察到縱向光學聲子的信號，以波向量說明LO訊號是來自砷化銦表面電子累積層的貢獻；L_則是來自累積層以外的區域。 於變功率量測下，低摻雜濃度砷化銦較容易受到雷射激發載子的影響，其LO-plasmon couple mode (L_)因激發載子的影響，有一逆向電場形成，讓原本在表面電子累積層的電場減小，影響累積層的厚度；高摻雜濃度砷化銦，其雷射功率影響並不顯卓，由LO以及L_強度分析，推測激發載子濃度與本質濃度接近，推測累積層幾乎維持不變。

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非磁性隱形斗篷裝置的設計

近十幾年來，轉換光學不論是在理論或是實驗的發展都有非常成功的應用，人們可以用更廣義的空間座標轉換去控制光路，使得光學元件的設計更為方便與簡單，而其中一項很重要的應用就是本章所要討論的–「隱形斗篷」。 在本論文中，我們建立在轉換光學已經證明的馬克士威方程式的不變性，得到了控制電磁波的材料參數，不過在理想斗篷內部的材料參數是非均勻、非等向性的，且在內邊界又出現參數發散至無窮大的奇異點問題，大大降低了實做的可能性，所以從基本研究開始，透過電磁波的波動方程式，在不改變其傳播路的情況下給予適當的簡化，也就是使用非磁性材料製作出來的隱形斗篷，將奇異點的問題解決以提高實現的可能性，但簡化的後果會付出阻抗不匹配的代價造成斗篷大量散射，因此如何透過轉換函數的設計，使阻抗能夠匹配以減少斗篷的散射及降低參數的大小以實現製作的可能性，成為本文的重點之一。 而本論文的另一個重點，是透過光學轉換及互補材料的概念去隱形海市蜃樓，但其概念並非控制電磁波的行徑方向，而是用抵銷相位的概念去實行隱形的可能性，此隱形方式相對於另一種斗篷，優點為隱形之餘能使欲隱蔽的錯覺能夠與外界溝通，不過其在位置上的靈活度並不高，只能在單方向產生隱形的效果，所以為了解決此問題，我們將建立在此基礎上改變原隱形裝置結構成為一錯覺產生器，再利用此錯覺產生器來產生一隱形斗篷以解決上述問題並提供了實體裝置可不存在的優點。

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銻磷化銦結構特性與拉曼光譜之研究

本論文旨在分析銻磷化銦(InPSb)三元合金系統的結構特性，研究其拉曼光譜，並分析其嚴重的鍵結畸變(bond distortion)所帶來的影響。我們利用氣態源分子束磊晶在砷化銦(InAs)基板上成長了一系列的銻磷化銦，從高解析X光散射(XRD)發現銻含量0.36的樣品具有單晶的特徵，而其他樣品譜線半寬則發生了異常，產生了相分離的現象，代表其濃度波動甚大，從倒置晶格空間圖譜(RSM)中可以發現，單晶的樣品仍受應力影響，存在良好的長距結構有序(Long-range order)，但相分離的樣品則產生失序的現象。研究短距結構(Short-range order)的過程中，我們利用同步輻射光源來取得材料的X光吸收精細結構(Extended X-ray Absorption Fine Structure)，再由ARTEMIS與ATHENA軟體分析來取得合金中磷化銦的鍵長，及相關的Debye-Waller因子，結果顯示樣品鍵長皆趨近於二元合金，且與利用價力場模型(Valence Force Field)計算的結果相近，顯示了架構上仍存在著閃鋅結構(Zincblend)，接著我們討論了Debye-Waller因子在X光散射理論中，與同步輻射理論中之不同，並探討實驗結果其背後的原因，而由於樣品具有長距有序，且符合價力場模型的計算，因此儘管鍵結存在著嚴重畸變，卻仍能在X光散射中有良好的譜線半寬；然而銻含量0.17相分離樣品之鍵長存在異常，且無法與價力場模型一致，顯示其長距結構存在失序，我們認為此樣品之鍵結畸變能已透過產生缺陷的方式來消除。另一方面，我們進行的拉曼量測裡，解析了銻化銦相關模態、磷化銦相關模態，以及由於失序而啟動的聲學聲子(DALA)。在選擇規則的測試中，我們認為磷化銦具有一鍵雙模(1-bond 2-mode)的特性，而非以往文獻上記載之一鍵一模(1-bond 1-mode)，從極化圖(polar plot)的實驗發現，銻含量0.36單晶樣品的三種模態性質都不同，由價力場模型分析，取得不同次鄰接原子結構的伸張畸變能(stretching distortion energy)與彎曲畸變能(bending distortion energy)，認為當某一銦原子周圍是2磷2銻(2P2Sb)時，會產生較高頻率之磷化銦模態，因為其具有最低的伸張畸變能，但擁有較高的彎曲畸變能將阻礙這種模態遵循一般之振動方式；而所有在銻含量0.17相分離樣品中的模態，皆顯現出不對稱的震動方式，脫離拉曼量測對稱群的振動方式，表示著它們都被樣品中缺陷震動所影響。

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用低成本奈米球微影術製作半導體光電元件之研究

在本論文中，我們將會討論運用低成本的奈米球相關微影術製造出多種奈米尺寸的光電元件應用。首先，我們將會探討運用奈米球微影術製作出奈米等級的矽奈米網場效應電晶體，也將會探討此元件的電特性，以及做成生物感測元件方面的應用。最後我將會討論如何用黃光微影術搭配乾溼蝕刻技術製作出氮化鎵的發光二極體並在側壁加上共振腔，使其能接近雷射二極體的特性，也會探討到其電性的部分。

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發光電晶體之感溫機制與光電整合系統之研究

本論文將探討發光電晶體之溫度感測機制與光電訊號轉換等兩大特性。考慮一個異質接面雙載子電晶體，在基極區中加入量子井成為量子井-異質接面雙載子電晶體或稱發光電晶體，在溫度感測機制方面，我們探討其溫度對於電訊號的影響，比較量子井-異質接面雙載子電晶體與一般異質接面雙載子電晶體之電流增益與溫度之關係，可以發現其呈現完全不同的趨勢，由此可知量子井在此溫度效應中扮演重要的角色。我們首先藉由改良式的電荷控制模型以及速率方程式來分析電子受到量子井影響所產生的捕捉-逃脫行為，及對於整個基極少數載子之間的耦合關係而推得理論模型，描述電流增益與溫度的關係。此外，我們改變不同磊晶結構，透過理論模型與模擬軟體來比較電流增益對溫度的趨勢，從而設計出最佳的增益曲線並在未來應用在溫度感測上。而對於不同的元件幾何結構，由於許多非理想效應難以考慮進理論模型中，因此我們實際製作出不同結構的量子井-異質接面雙載子電晶體元件，並透過模擬輔助以分析幾何結構對電流增益-溫度特性之影響。 在光電轉換特性方面，透過環形發光電晶體來達到光電整合系統之目的。我們將發光電晶體製作成環形共振腔結構，並探討不同尺寸及結構設計對於光訊號與電訊號的影響，由於其回音壁發光模態，光將沿著圓環行進因此沒有特定出光方向，為了能夠與其他元件溝通，我們設計波導將光導向特定方向，並在波導端點處設計光偵測器，此光偵測器同樣為發光電晶體結構，利用法蘭茲-卡爾迪西效應將環形發光電晶體之光訊號轉換為電訊號，並可計算出其轉換響應率。本篇論文展示了發光電晶體之多樣特性，期許能貢獻於未來光電整合電路的發展。

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電晶體雷射電壓調變物理模型與藍光發光電晶體製作之研究

電晶體雷射(TL)與發光電晶體(LET)除了保有傳統電晶體的特性以外，其光訊號擁有可以高速調變的特性，因此成為下一代光電積體電路元件以及光通訊系統光源的候選人之一。在本論文中，我們提出一個電晶體雷射的理論模型，其中包含直流電(DC)與交流電(AC)的特性模擬。傳統的半導體雷射大多以速率方程式來描述其雷射特性，不只是直流訊號，光的大訊號、小訊號模型以及頻率響應…等，都可以藉由速率方程式得到。為了能夠清楚地描述雷射輸出特性，我們建立電晶體雷射的速率方程式，並將法蘭茲-凱爾迪西效應(Franz-Keldysh effect)考慮至方程式中。從過去電晶體雷射的實驗中可以發現，隨著集極與射極間的跨壓增加，電晶體雷射的閾值電流會有越來越高的現象，且雷射輸出功率對輸入電流曲線的斜率也會有漸漸變小的趨勢，從這個理論模型我們也可以模擬出與實驗相同的趨勢，並且能夠更加了解其中的物理機制。更特別的是，由於法蘭茲-凱爾迪西效應的關係，電晶體雷射除了以電流來調變光訊號外，也能夠以電壓調變光訊號，我們可以利用速率方程式來計算電壓調變下得到的本質光頻率響應。在一般二極體雷射(DL)或面射型雷射(VCSEL)中，光的頻率響應會受到寄生元件(parasitic element)的影響，因此我們結合了本質光頻率響應與電路轉移函數，來描述在電壓調變下電晶體雷射的動態特性。此外，我們將探討經由小訊號電壓調變後所引起的頻率啁啾(frequency chirping)，並以此理論模型模擬出電晶體雷射操作在某個頻率範圍內，以小訊號電壓調變下所造成的頻率啁啾之效應會比一般半導體雷射還要小。 另一方面，我們製作出第一顆GaN/InGaN量子井發光電晶體，並量測其電訊號及光訊號的特性曲線。由電致發光頻譜可看出此發光電晶體的放光波段約在435奈米附近，為藍光波段，適合應用在未來的可見光通訊系統中。

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酒精偵測系統

本論文主要研究利用三波段窄頻紅外線發射器以及室溫可操作的窄頻紅外線偵測器來實現三波段的酒精偵測系統。主要構想為藉由偵測酒精在中紅外光的兩個窄頻吸收以及一個不會受到酒精影響的波段來當作參考的信號使得整個氣體偵測系統可靠度更高。 我們在一波導型窄頻紅外線發射器上方製作矩形金屬結構，而且這個矩形具有兩種不同的線寬。利用下方的波導模態以及上方的兩個侷域型模態來實現三波段的窄頻紅外線發射器。藉由探討覆蓋於窄頻紅外線偵測器上的非晶矽薄膜厚度與波長紅位移的關係來微調所要的偵測波段以及製作不同的窄頻紅外線偵測器。除此之外也利用波導模態來實現中紅外波段中波長較短的窄頻偵測器。 我們設計一個偵測系統來量測不同酒精濃度，包含發射器腔體、氣體腔體、偵測器的載具以及上述的窄頻紅外線發射器與偵測器。系統大小約為6 公分 × 6 公分 × 15公分。當腔體的長度為10公分以及輸入功率為4瓦時，我們順利地偵測到0.5%的酒精濃度。利用不受酒精影響的特性，當作參考信號用的偵測器可以使整個氣體偵測系統可靠度更高。

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極紫外光數位全像顯微術

高亮度短波長同調光源因其於基礎研究與工業應用逐漸增長的需求潛力而亟待 發展。隨著植基於啾頻脈衝放大技術所發展之強場雷射的誕生，以更低廉的價格 與更小巧的體積產生超短同調極紫外脈衝輻射不再只是個夢想。在第一章及第二 章，我們紀錄了實驗室近年在波長為32.8 奈米極紫外光雷射的發展現況，汲發 能量小於1 焦耳的條件下每發雷射即可產生10^12 顆光子，達到空前的10^-5 高能量 轉換效率。 第三章至第五章聚焦在以 32.8 奈米波長極紫外光雷射為照射光源的一種新發 展無孿生像數位全像顯微術。其計算核心 -「單全像互投影演算法」經數值模擬 和光學實驗證明其確能有效抑制傳統全像重建術所會遭遇的相位混淆，進而回解 可得無孿生像干擾的高解析物體影像。相較於傳統方法，「單全像互投影演算法」 全然免除為了攫取正確物體相位所需物體輪廓的預知條件，使這新穎的演算法更 加適合應用在需要大量計算量的三維體積成像。

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利用附加相對電極設計高穿透率低操作電壓藍相液晶顯示器之模擬分析

液晶在我們生活中已經是不可或缺的一部分，許多科技產品，像是手機、電腦、電視、平板，都與液晶有所關聯，近年來藍相液晶的發掘，學者提出用高分子聚合物來改善藍相液晶溫度範圍過窄的問題，有效將溫度範圍從1K增加到60K左右，稱之為高分子穩定藍相液晶。高分子穩定藍相液晶有許多的優勢可以有望成為下一個世代顯示器的材料，像是i) 暗態等相性(isotropic dark state) 不像向列型(Nemetics)液晶為異相性與異相性做轉換，所以藍相液晶會有完全暗態的現象。ii) 亞毫秒的反應時間比傳統向列型(Nemetics)液晶快10倍以上，也可以應用在場序式液晶顯示器上，沒有明顯的顏色間斷，不需要色彩濾波器。iii) 不需要配向層處理，可以節省製作成本。被視為極具有潛力的液晶材料。但直到現在高分子穩定型藍相液晶還不能普及，主要的原因在於高分子穩定型藍相液晶顯示器過高的操作電壓以及低穿透率的缺點。因此必須設計新的電極結構，來降低無效區(dead zone) 增加穿透率，並且降低操作電壓。 凸出物之雙邊型電極結構(different electrodes on two sides of protrusion)，由於電極兩側會有電壓差，進而解決電極上方缺乏水平電場的問題，被視為使高分子穩定型藍相液晶顯示器降低其dead zone的方法之一，與單一的電極結構操作電壓並不會相差太多，另一種添加浮接電極也可以修正高分子穩定型藍相液晶顯示器中的電場分佈來提升整體的穿透率，製程上較為複雜一些，上下基板需要對準才能有效的解決電場分布，但其提供了一個不錯的方法以提升穿透率，上述兩種雖然可以有效的提高穿透率，但操作電壓還是偏高的，在本篇論文，我們進一步設計的附加相對電極來改良操作電壓的問題，利用長方體電極的低操作電壓特性，再添加相對的電極，能在電極上方產生較強大的水平電場，以消除錯位線或是無效區域，以達成提升穿透率與降低操作電壓的效果。此外，我們也在模擬過程中，提供了添加不同電極結構的比較，利用更尖、更細的電極來減少dead zone的區域，但操作電壓幾乎不便，而我們使用韓國商業液晶模擬軟體Techwiz(Sanayi System)來進行模擬並分析其結果。

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多層膜結構二極記憶體之研究

本論文提出了一個具有新式相變化的操作機制與材料，操作原理結合了傳統相變化記憶體的基本特性，以及電子共振穿隧二極體的負微分電阻的特性。而選用的材料則與傳統的相變化材料不同，乃利用電漿輔助型原子層沉積系統成長金屬氧化物(氧化鉿、氧化鋅、氧化鎵)，並堆疊成雙能障量子井的結構。 本論文主要分為兩部分。第一部分為記憶體元件之製作，包含了電漿輔助型原子層沉積系統的原理與操作、沉積材料成長速率之校正、X射線光電子能譜特性分析，以及元件完整的製程。第二部分為記憶體元件之電性量測，包含了相變化特性曲線、轉換臨界功率的比較、寫入(Set)與重置(Reset)的關係及壽命讀寫次數的量測。 我們用電漿輔助型原子層沉積系統沉積了HfO2/ZnO/HfO2 (2/4/2及2/6/2 nm)和Ga2O3/ZnO/HfO2 (4/2/4、4/3/4及4/4/4 nm)兩種結構，並製作四種元件面積，625π、3025π、7225π及11025π平方微米，發現在Ga2O3/ZnO/HfO2為4/2/4且面積為625π〖 μm〗^2時有較佳的特性。其有較小的轉換臨界功率(約為2.6mW)，元件的電阻開關比可達1000倍，抹寫次數可達超過100次。