臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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我們以分子束磊晶，在氮化鎵基板上成長以極化感應產生的p-型氮化鋁鎵。藉由改變鋁含量梯度，氮化鋁鎵厚度，我們得到一系列的電洞濃度、電洞遷移率以及導電率之結果，透過XRD的量測，我們可獲得鋁的含量，在厚度為200奈米的樣品內，當鋁含量由75%降至34%，我們可以獲得9.4 x 10^17 cm-3的電洞濃度，27.9 cm^2/V-s 的電洞遷移率，以及0.23 Ω-cm的低電阻率。藉由降低氮化鋁鎵生長厚度去改變鋁含量梯度，可以發現隨著厚度降低，電洞濃度上升，電洞遷移率降低，導致電阻率上升，由reciprocal space mapping 量測可以得知生長在氮化鎵基板上的氮化鋁鎵，隨著鋁含量上升，應力釋放更明顯，在電洞濃度較高的樣品中，我們嘗試去摻雜鎂，雖然電洞濃度稍有增加，但由於電洞遷移率會下降，結果無法改善電阻率。
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基於穿透電子顯微術觀察中的能量色散X-光能譜（EDX）和d-spacing晶格分析方法，我們研究用分子束磊晶生長的六個鋁含量梯度的氮化鋁鎵樣品和三個鋁含量固定的氮化鋁鎵樣品中的鋁含量變化。生長鋁梯度氮化鋁鎵樣品可以產生極化感應的p-型行為，而固定的鋁含量樣品可當作參考來比較鋁含量變化。從能量色散X-光能譜數據，我們可以估算這些樣品中鋁含量的變化趨勢。數據可以線性擬合，但我們也觀察到鋁含量些許偏離目標值。基於局部區域繞射圖的d-spacing晶格分析，我們可以精確地計算沿c軸，a軸或m軸的局部晶格常數。 從計算的晶格常數，在氮化鋁鎵未受應變影響的假設下可以估算鋁含量。但由於獲得繞射圖案以實現高精度晶格常數需要相當大的晶體區域，因此在厚度為100-200奈米的氮化鋁鎵層內只能獲得有限的數據點。
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我們利用分子束磊晶技術，在氮化鎵基板上成長七個鋁含量約25%不同結構的氮化鋁鎵樣品，並比較樣品之間的p-型導電特性。其中，相較於均勻鎂摻雜氮化鋁鎵樣品，其他六個奈米尺度的鎂摻雜/無摻雜氮化鋁鎵交替層結構樣品皆具有較高的導電率。由於無摻雜氮化鋁鎵層內電洞遷移率大於鎂摻雜氮化鋁鎵層，而交替層結構內鎂摻雜氮化鋁鎵層所產生的電洞可以擴散至相鄰的無摻雜氮化鋁鎵層中，並以較大的電洞遷移率傳輸，因而可以改善樣品整體的導電特性。一般而言，交替層結構樣品的導電率會隨著分層厚度減少而增加;然而，樣品內鎂摻雜和無摻雜氮化鋁鎵層的相對厚度也會影響其導電特性。我們發現鎂摻雜與無摻雜氮化鋁鎵分層厚度分別為6奈米與4奈米的交替層結構樣品的等效電阻率比均勻鎂摻雜氮化鋁鎵樣品降低了4.7-6.5倍。此外，我們也建立一套模型來釐清無摻雜氮化鋁鎵內電洞遷移率以及擴散至無摻雜氮化鋁鎵層的電洞比率兩者間的關係。
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飛秒聲學的應用主要分為結構成像以及熱聲子頻譜分析兩種。為了提升量測的空間解析度、得到更多高頻聲子的資訊以及有效的增強高頻聲子的訊雜比，如何產生超短音波脈衝至今仍然是非常重要的議題。根據彈性理論，影響音波脈衝寬度主要分為音波產生的範圍以及音波產生的機制。而我們認為介面是最薄的二維結構，因此在此論文中，我們想藉由累積在介面上的二維電子氣體來產生超短音波脈衝。 為了研究超快的光激發二維電子氣體產生音波脈衝的機制，我們建立了一個簡單的音波產生的模型。根據模擬的結果，音波脈衝寬度變化主要是被熱電子形成的膨脹壓力在空間中的分佈所影響。從模型模擬出來的音波脈衝寬度來看，二維電子氣體是有潛力去產生約100飛秒的超短音波脈衝的超音波產生源。為了證明理論模型的結果，實驗上我們成功的利用氮化鎵以及非晶氧化鎵的介面所生成的二維電子氣體去產生時間寬度為266飛秒、頻寬為2.1兆赫茲的超短音波脈衝。 因此本篇的研究不僅推導出新穎的光激發二維電子氣體產生音波的機制，實驗上我們更成功的利用二維電子氣體產生至今最短的超音波脈衝。
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探討醫學臨床研究問題時，常需要量測有興趣的特徵，並進行統計來驗證假說。然而每一種特徵的量測需要花很多人力及時間，加上由於需要人工篩選，只有少量的資料能進行統計，並且找尋的特徵有時會受限於人的想像力，無法更廣泛的探索。因此若能從大量資料表現結果，縮小特徵找尋的範圍，並提供可能的線索特徵，便能加快研究進展。 卷積神經網路能從大量的資料中，主動學習重要特徵，並且透過可視化工具來協助找尋此特徵的位置。因此本研究採用深度學習演算法，利用ResNet、VGG及Inception等卷積神經網路，透過3134位正常人眼睛黃斑部之光學同調斷層掃描影像，學習分辨年齡及性別。經過訓練及驗證後，模型能在測試資料集中達高於75%以上的性別預測準確率以及低於6年的年齡預測誤差。從可視化工具Grad-CAM、Guided Grad-CAM及影像裁切實驗，深度探討後發現(1)男女的黃斑部中央凹有差異，(2)差異的特徵應為中央凹的色素上皮層及內界膜輪廓，(3)黃斑部各層組織與脈絡膜應會隨著年齡而有變化。 過去在眼科學界的認知中，黃斑部的結構並沒有具臨床意義的性別差異。本研究透過深度學習發現黃斑部的中央凹輪廓具有性別差異，而由於根據研究顯示，在OCT上呈現寬中心凹的眼睛，雖然視力完全正常，但其對側眼卻有極高的比例產生特發性黃斑前膜(51.9 %)及黃斑部裂孔(9.6 %)等黃斑部疾病，暗示中央凹輪廓可能是具有臨床意義之性別差異。期望本研究的結果能提供眼科醫師對於黃斑部新的研究方向，未來在流行病學、致病機轉、或是疾病的預防、治療及預後等各方面有所幫助。
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繞射是波的基本特性，並且能用Huygens–Fresnel principle 跟波疊加原理加以描述每一個向前傳遞的波都可將之前的波前視為新的波源。繞射現象是一種真實的物理情形，然而對於有些過於複雜無法透過直接解析的情況，透過電腦數值計算的方式可以得到複雜邊界條件下的數值解。一般而言會將計算電磁學分成以下: full-wave法跟high-frequency法，在full-wave法種類下方程式又可以細分成偏微分或是積分方程形式，其中時域有限差分法(FDTD)是在時域下以偏微分方程的形式解Maxwell’s方程式的一種方法。 當我們使用FDTD去解析電磁波的問題時，數值相位誤差扮演著影響結果的重要腳色，在數值計算中，誤差的來源是用光在數值網格上行進的速度對於真實世界光在真空中的比值來定義誤差。因此我們能透過改變計算中數值網格的大小，去讓光在數值網格上行進的速度非常的接近真實的光速，因此提高答案的精確度，在此研究中，我們使用不同的網格大小λ/20到 λ/80，去探討解析度的差異對於遠場繞射情形的影響並且將所有的結果都跟單狹縫遠場繞射的解析解去做比對驗證，最終得到在在不同解析度的情況下，每個角度的計算數值對於解析解的差異。
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本論文探討了消逝波與表面電漿子耦合在感測器上的應用，其中包含了兩個部份，第一部份是利用二維六角狀排列的光子晶體， 第二部份則是使用一維平面波導與奈米金球的複合結構來作分析。 在第一部份中，一個由週期性孔洞六角狀排列的二維光子晶體被利用來作為感測器。二維光子晶體在空間中將光束繞射到不同的角度，利用位於滿足相位匹配條件與成為消逝波之間的臨界波長來作為判斷施加在感測器表面介質的折射率。根據這樣的量測機制，我們使用了葡萄糖溶液作為待測物，展示了這樣的感測器具有高敏感度與低量測極限。同時，我們也使用了第四型人類皰疹病毒抗體作為待測物，觀測這樣的量測系統在感測抗體抗原等微小生物分子時的表現。由於生物分子表面功能化的因素，一層金薄膜加入了二維光子晶體表面，消逝波與金薄膜表面電漿極化子的耦合帶來了相位匹配條件的改變，進而對感測器表面的微小生物分子有著良好的感測性。為了進一步瞭解兩者耦合的特性，我們藉由光學模擬來觀測近場分布及對應的繞射頻譜，此外，不同晶格方向的量測結果也會在這一部份中探討。 在第二部份中，一個一維平面波導結構與表面沉積的奈米金球被利用來作為感測器。藉由光學模擬，研究來自波導模態的消逝波與來自奈米金球的局域表面電漿共振之耦合對表面電場的增強以及對量測結果的影響。使用葡萄糖溶液作為待測物，我們展示了在不同入射光角度下，其吸收頻譜變化與近場分布，探討這樣的耦合強弱對感測器表面介質折射率的改變有何關係。同時，實驗結果也被拿來作為驗證模擬數據，其結果表明這樣的耦合能局域地增強奈米金球表面電場，帶來相當程度的靈敏度提升。
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由於鍺為間接能隙材料故其發光的效率及其吸收光的效率都有加強的空間，而我們發現摻入7%-10%錫可以使其Gamma valley下降甚至低於Gamma valley使其變成直接能隙材料，目前鍺錫材料已被用來利用光來產生雷射也用來製作電晶體因為其電洞之遷移率高於鍺，但是其材料特性、發光元件、以及光偵測器皆需要更進一步的研究，尤其是光偵測器的部分不管其吸收材料是矽、鍺、甚至鍺錫皆需要進一步的研究，因為目前在物聯網、自駕車或是在光聯結上在接受端的發展皆是非常需要的。 表面鈍化是可用來提升鍺錫材料之光電元件後的效率，表面鈍化可以利用兩個方式達成一個是降低表面斷鍵產生的缺陷但是這種方式需要高溫來產生，而在鍺錫材料上熱預算約為400度所以其降低表面斷鍵的效果並不好，第二種達到表面鈍化的方式是利用帶電的氧化物將表面載子與缺陷複合的機率降低，而這種方式也應用在高效率的太陽電池當中，在論文的第二章原子層堆積被利用來成長了二氧化矽以及氧化鋁在矽鍺表面利用其帶負電的特性來鈍化表面，金氧半的電容也被製作來萃取其帶電量，而光激發光的頻譜強度被用來判斷其鈍化的效果，當光打入鍺錫材料中會產生電子電洞對如果鈍化成功的話表面的載子就不會產生非放光式的複合，而在製程的優化下20-cycle的二氧化矽搭配上60-cycle的氧化鋁能產生最好的鈍化效果。 再來由於鍺錫材料在成長時需成長在鍺的虛擬基板上面因為錫跟矽的晶格大小差距約為20%，而錫跟鍺也具有14%的晶格差距所以在成長上會產生應力，而應力會影響載子的分佈也會影響其能隙之大小，在論文的第三章我們利用治具來施加額外的應力來了解經過應力以後載子的分佈及能隙之變化，利用經驗公式以及固態理論來fitting光激發光的頻譜可以得知鍺錫材料的能隙，再來我們發現經過外加拉伸應力鍺的直接能隙發光是十分敏感的但是鍺錫材料的直接能隙發光卻是非常不敏感的。 由於發光元件在目前的四族光電元件當中是十分缺乏的所以在第四章我們利用金氧半結構來製作電激發光的元件，目前的發光元件皆需要額外的摻雜利如p-n結構或是p-i-n的結構而摻雜皆有可能產生額外的缺陷，利用金氧半結構也可以偵測到真正的薄膜品質，我們利用原子層堆積極薄的3nm氧化鋁來達成金氧半的結構，由於為了不讓錫產生析出鍺錫材料的表面皆覆蓋了一層鍺的覆蓋層以提升磊晶後薄膜之品質，但是這層錫會影響載子的分佈，我們發現當有覆蓋鍺以後電激發光的頻譜會以鍺的直接能隙發光為主，那我們利用熱氧法去除覆蓋錫的以後就看到了以鍺錫的直接能隙發光為主。 研究完發光元件以後我們就將研究光接收端，目前窄頻的光偵測器尤其是紫外光的波段是非常重要的，在第五章我們也一樣利用金氧半結構來製作光偵測器並且利用上面的金屬來當作濾波器，那之前的研究發現銀可以當作紫外光的濾光片所以我們的金屬電極就利用銀再來我們利用原子層堆積成長了不同的氧化物在矽的表面，我們發現氧化鋁可以有效的鈍化表面所以金氧半結構的氧化物就利用氧化鋁，製作出來其窄頻的光偵測器可以達到0.174mW/A的光響應然後利用印刷電路板搭配上電路設計我們製作出了符合物聯網之窄頻光偵測器。但是光偵測器最重要的還是在光連結上面，在第六章我們製作了不同厚度的p型鍺虛擬基板的垂直式光偵測器並量測其直流跟交流的特性，我們發現p型鍺虛擬基板其直流跟交流式越厚越好的，那我們將虛擬基板抽掉直接成長鍺在矽基板上發現其直流特性會下降許多但是交流特性會提升，為了增加偵測的波段我們也將錫摻入鍺當中製作p-n二極體，我們利用了多層的磊晶方式來達到更高濃度的錫摻雜，那我們發現當最上層的鍺錫厚度會影響到元件的特性，越厚的最上層的鍺錫層可以達到越高的光響應但是相對的其暗電流密度也是最高的，暗電流密度之中我發現其主要是產生自空乏區而這樣證明了其較高光響應的原因。
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光學顯微術被發明以來，由於其對於生物組織具有非侵入性，因此，被廣泛利用在活體生物組織的成像上。然而，其解析度受到物理上繞射極限的限制，光學顯微術的橫向解析度被限制在大於250 nm內，嚴重影響了人們對生物組織的認識。因此近幾十年來，有許多研究突破繞射極限的超解析技術被提出。然而，它們都受限於穿透深度(~20 μm)。 現今，穿透深度和解析度是光學成像系統觀察生物組織的兩個重要因素。其中，雙光子螢光顯微術，使用近紅外光作為光源；因此，雙光子螢光顯微術可應用在較厚的活體生物組織上；然而，紅外光在生物組織中的散射和吸收將使成像品質惡化；因此，雙光子螢光顯微術的空間解析度低於共軛焦顯微術。近年來，有一種稱為"飽和激發顯微術"的技術被提出，此技術可用於超解析影像上。此技術是基於時間調製，相對於在空間域提高解析度的超解析顯微術，飽和激發顯微術較不受生物組織中的散射和吸收的影響，因此可用於較厚的生物組織成像。透過結合雙光子螢光顯微術和飽和激發顯微術，即"飽和雙光子激發螢光顯微術"。透過此飽和雙光子激發螢光顯微術，並結合鼠腦透明化可獲得~2.4 mm的穿透深度和亞微米的超解析鼠腦影像。但此技術相較於繞射極限只提高了1.4倍的解析度。 為了突破此瓶頸，本篇論文我們架設了飽和雙光子激發螢光顯微術的系統。但有別於一般飽和激發顯微術、飽和雙光子激發螢光顯微術，是在低激發強度照射樣本；本實驗我們利用高雙光子激發強度去照射加強型綠螢光蛋白。我們發現，在高雙光子激發強度下，由於加強型綠螢光蛋白在樣本內濃度的不同，加強型綠螢光蛋白會選擇性的出現過飽和現象。在此條件下拍攝影像，影像的空間解析度相對於繞射極限可加強~4.2倍。我們稱此技術為"選擇性雙光子螢光過飽和顯微術"。在論文中，我們首先會說明選擇性雙光子螢光過飽和顯微術的機制和原理。並利用數值模擬，去計算加強型綠螢光蛋白在不同雙光子激發強度下，螢光在不同高階非線性項的響應。並從數學的角度去說明我們在模擬上所觀察到的過飽和現象。接著，我們利用所架設的選擇性雙光子螢光過飽和顯微鏡，去量測加強型綠螢光蛋白在不同雙光子激發強度下，螢光在不同高階非線性項的響應，以證實與理論相符。最後，我們將此技術直接應用在具有加強型綠螢光蛋白的離體鼠腦樣本上，並證明其可達到90 nm (與繞射極限相比好~4.2倍)的橫向解析度。討論其在不同激發強度下，影像所出現的現象與理論是否相同。最後討論其未來應用在超解析影像上的能力。
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極化分光器是非常重要的光電元件，因可分離兩相互垂直偏振之特性，可以運用在光纖通訊之多工分光、光學顯微鏡、生化檢測等。近年來隨著半導體製程技術的進步，可見光波長等級的各種光電元件成為趨勢。次波長介電質光柵對於光的操控性有十分的競爭力，在製程上又相對簡單可以量產，其中一維傾斜光柵即在擴增實境頭戴式眼鏡領域展現其價值。 過去傾斜光柵並未受到重視，缺乏理論分析傾斜光柵結構，大多以數值模擬方法求得。本研究利用簡化模態法，快速推測出一維傾斜光柵結構參數，並以模擬軟體驗證，負一階穿透率可超過92%。後介一維傾斜光柵結構特性，引入極化分光器概念，將一維光柵延伸至二維光柵，應用對稱性，最終成功設計出高耦合效率且高消光比的垂直耦合型極化分光器。針對可見光532 nm之綠光，利用二維傾斜光柵，可以將單一偏振方向正向入射光柵平面，透過T-1,0階穿透傳播，耦合效率可達70%以上，消光比20 dB以上。