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多重壓印光子晶體對發光元件出光光型之影響

本論文在有機發光二極體 (Oganic Light-Emitting Diode, OLED) 的陽極層製作出光提取結構，陽極層的材料是氧化銦錫 (Indium Tin Oxide, ITO)，製程分別以光學微影來製作微米等級的網格 (Grid) 結構和以奈米壓印微影 (Nanoimprint lithography) 製作奈米等級的光子晶體結構，用來提升OLED 的出光效率並簡化元件的製程步驟；在蝕刻這兩種結構時，各採用了乾式蝕刻與濕式蝕刻兩種方法，實驗的結果都顯示乾式蝕刻的圖形不易失真且粗糙度也較為平整，而擁有Grid 結構的ITO 玻璃，無論是採用乾蝕刻或濕蝕刻的製程，在製作 成OLED 元件後其出光效率都提升了約10%。 另一方面利用奈米壓印搭配正方晶格光子晶體模具 (Mold)，透過旋轉模具的簡單方式進行多次壓印來製作複雜結構的類光子晶體，實驗結果的繞射圖形呈現高度的旋轉對稱性；接著將一次壓印、二次壓印 (Rotate 45°) 和三次壓印 (Rotate 30°/30°) 的光子晶體結構翻成透明的PDMS (Polydimethylsiloxane) 薄膜，再藉由白光發光二極體(Light-Emitting Diode, LED) 去做出光光型的量測，量測的結果顯示一次壓印、二次壓印的結構對於出光光型的影響不大，但在三次壓印的光子晶體作用下，可看出光型在50°和130°的位置有明顯變化。

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在優化設計的奈米金屬叢集中實現可選擇的侷限表面電漿激發態

本論文提出並以實驗驗證一可選擇性激發侷限表面電漿激發態之奈米金屬叢集結構，且為世界上首度能在近場光範圍內產生高達十種可選擇的激發態；另一方面，此叢集結構尚可用以分析近場光訊號之偏振態，並能進一步判讀圓偏振態之旋光性。 本研究包含數值模擬與分析、奈米元件製程，以及光學量測實驗等三部份，將在各章節分別詳細論述。本論文藉由數值模擬發現，在由奈米金屬球或奈米金屬圓柱所構成的叢集結構之中，吾人可藉由控制激發光源的偏振態，產生至多十種不同的表面電漿激發態；而這樣的選擇性激發亦可在具有類似排列的奈米孔洞結構之中實現。 上述提出的叢集結構經由優化設計後，吾人使用聚焦離子術系統，在熱蒸鍍之黃金薄膜上進行奈米磨銑，藉以製作元件樣品。量測部份，吾人結合商用之近場光學掃描顯微鏡及自行搭設之光學系統，量測在不同偏振態的激發下，樣品表面之奈米電漿近場光學訊號，並與數值模擬結果比較之。實驗證實本論文之優化叢集結構，可以藉由激發光源偏振態之改變，產生多種表面電漿激發態，且尚可藉以區分圓偏振態之旋光性。

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單晶矽埋入式電極太陽能電池之製作

近年來因能源需求與日俱增，全世界都在找尋可用之新替代能源，加上全球各國對綠色能源大力的提倡，使得太陽能電池被大量研究與開發，使現今提升太陽能電池效率之結構與方法也越來越多，為了降低製造成本，本實驗多採用印刷方式來減低製作太陽能電池，以達成可大量製作與成本的降低。 本實驗主要分成兩大部分，第一部分利用印刷方式先定義出電極區域，再利用酸蝕刻達成在電極區內重摻雜、非電極區內輕摻雜，再利用印刷的方式在正面印刷銀漿，而於矽晶片背面印刷鋁漿，製作出低成本之選擇性太陽能電池，此結構可以有效的提升短波長之光子吸收，以提升太陽能電池之效率。第二部分在於定義出的電極區域內，使用45% KOH在80℃下進行蝕刻，蝕刻出30um深的溝槽，此結構可以提升太陽能電池在長波段之載子收集率，以提升電流與填充因子，製作出埋入式電極太陽能電池(buried contact solar cell ,BSCS) 。

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以改良式遞迴傅立葉演算法設計遠場無光罩微影技術圖形之研究與應用

本篇論文提出利用全像投影系統（Holographic projection system, HPS）在光學遠場產生二階相位移圖形（Phase-shift patterns, PSPs）並可實際應用在非週期性結構的元件製造方法上。將設定好的遠場相位移圖形當作是目標圖形，以此目標圖形結合改良式遞迴傅立業演算法，返回計算純相位式繞射元件的最佳化場函數。將計算出來的純相位式繞射元件場函數輸入至全像投影系統中的空間光調變器（Spatial light modulator, SLM），可於系統設定的遠場投影面上得到近似的相位移圖形；遠場相位移圖形與空間光調變器上彼此間的光場形式為傅立業轉換的平方正比關係。從實驗的結果來看，我們所提出的設計方法確實建立了一種新穎且實際可行的作法，這樣的設計方法與相位移微影技術（Phase-shift lithography, PSL）的結合對於達成更小的臨界尺寸（Critical dimension）具有無限潛力，並且可實現快速且低成本的無光罩微影技術（Maskless lithography, ML）。

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高效率濺鍍銅銦鎵硒太陽電池中鎵分佈及晶粒成長之研究

銅銦(鎵)硒(Cu(In,Ga)Se2)薄膜是目前最具有潛力的太陽電池材料之一，能隙寬為1.02eV屬直接能隙半導體材料，光學吸收係數為 105 cm-1，所以，只需要1μm厚度便可以吸收90%以上的太陽光。經由控制材料中元素的組成比例，可使得銅銦(鎵)硒薄膜不需要經過額外摻雜便可直接形成n 或p型半導體。如果利用鎵元素來取代部分的銦的位置，可使得能隙從1.04 eV提高到1.68 eV。同理亦可利用硫元素來取代部分的硒的位置，使其形成銅銦(鎵)硒(硫) (Cu(In,Ga)(Se,S)2)薄膜來提高元件的開路電壓(Voc)。 在銅銦(鎵)硒太陽電池的製造技術中，目前以共蒸鍍製程(co-evaporation process)及濺鍍加硒化製程(sputter and selenization process)最具有發展潛力。共蒸鍍製程目前保有小面積銅銦(鎵)硒太陽電池元件最高效率(20%)的紀錄，但卻有著大面積量產不易的缺點。這時利用濺鍍製程沉積銅銦鎵(Cu-In-Ga)前驅物，再通入含硒蒸氣來成長銅銦(鎵)硒薄膜是最有機會實現大面積量產的技術，目前大面積銅銦(鎵)硒太陽電池模組的最高效率為利用濺鍍加硒化製程所保持的15.7%。 在目前濺鍍加硒化製程技術中，主要是利用濺鍍銅鎵(CuGa)及銦(In)靶在鉬玻璃上沉積銅銦鎵前驅物，再利用硒蒸氣或硒化氫(H2Se)與其反應形成銅銦(鎵)硒薄膜。在目前的製造方式中，主要存在著兩個問題需改善，第一、在濺鍍製程中所使用的銦靶屬於低熔點金屬，使其在濺鍍及成膜的製程中容易產生銦聚集的現象，進而影響銅銦(鎵)硒電池元件效率的均勻性。第二、在硒化製程中，鎵元素容易在銅銦(鎵)硒吸收層底層聚集，造成元件開路電壓的不易提升。為了改善上述的問題，本論文的主要研究可分成三個部分: 一、不同銅銦鎵(Cu-In-Ga)前驅物結構的研究及改善:在本論文中利用銅銦鎵三元合金靶來取代傳統銅鎵及銦靶做為濺鍍製程的主要靶材，由我們的實驗結果可以觀察到，傳統銅鎵及銦的疊層方式在硒化反應中，由於銦的聚集使得在硒化反應後，銅銦(鎵)硒薄膜容易產生未完全反應的銅硒(Cu2−xSe)及銦硒(InSe)二次相，這對元件的效率將造成影響，而利用銅銦鎵三元合金靶所沉積的薄膜，明顯的改善傳統沉積方式所產生銦聚集現象，進而改善元件效率的均勻性。針對硒化反應後鎵聚集的問題，在本論文中提出，利用銅銦/銅銦鎵/銦(CuGa/CuInGa/In)的三明治結構來改善銅銦鎵前驅物經硒化後，鎵的分佈及晶粒的成長。由實驗結果可以觀察到，當在銅銦鎵前驅物表面濺鍍一層厚度約125nm的銅鎵層，經硒化反應後，銅銦(鎵)硒薄膜的晶粒明顯的長大，再經由XPS的分析得知，吸收層表面Ga/(In+Ga)的比例由22%提高到32%，這使得元件的開路電壓由390 mV提升至460 mV，提升18.2%。當將膜厚約80 nm的銦層置入銅銦/銅銦鎵(CuGa/CuInGa)前驅物中時，經硒化反應後，可以觀察到銅銦(鎵)硒元件在長波長(900-1150 nm)光的吸收明顯增加，這使得元件的短路電流密度(Jsc)由29 mA/cm2 提升至 33 mA/cm2，提升13.8 %。經由銅銦/銅銦鎵/銦的三明治結構所做成的銅銦(鎵)硒太陽電池元件，可將效率由6.26 %提升至9.52 %，提升50 %。 二、硒化製程對銅銦(鎵)硒薄膜晶粒成長及鎵分佈的研究: 在本研究中針對不同的硒化方式包括1. RTP硒化、2. 硒化氫(H2Se) 硒化及3.硒化後硫化製程(sulferization after selenization process)來討論在不同硒化條件下，對於銅銦(鎵)硒薄膜中晶粒成長及鎵分佈的影響。1. 在RTP硒化製程中，我們利用快速升溫的方式來觀察升溫速率對吸收層中鎵分佈的影響，由實驗結果發現在硒化製程中利用快速升溫的方式，使得升溫過程中銅銦硒(CuInSe2)及銅鎵硒(CuGaSe2)的相幾乎同時生成，由XPS的結果發現鎵並沒有往底部聚集。這個發現提供給我們一種改善甚至有機會控制銅銦(鎵)硒薄膜中鎵分佈的可能方式。2. 在硒化氫(H2Se)硒化製程中，我們發現利用提高硒化溫度到550 oC以上時，可以使得在吸收層底層較小晶粒的銅鎵硒(CuGaSe2)晶粒成長，進而改善元件的電性及效率，使元件效率由9.5% 增加到12.8%，提高34%。3. 在硒化後硫化製程中，我們發現利用降低第一階段硒化製程的溫度，可使得後續硫化製程中的硫更容易進入銅銦(鎵)硒硫的薄膜中，提高元件的開路電壓。但過多的硫元素會讓吸收層的晶粒不易成長，而減少元件電流的收集。經由硒化後硫化製程對開路電壓的改善，可使得元件的效率達到14%。 三、改善銅銦鎵硒太陽電池近紅外光波段光的吸收：由銅銦(鎵)硒太陽電池元件外部量子效率的量測結果發現，電池元件在近紅外光波段的光吸收較差。這是由於目前用來做透明導電層(TCO)的鋁摻雜氧化鋅(ZnO: Al)在近紅外光波段中光的穿透率較差，這是由於ZnO: Al內自由載子在近紅外光波段的光吸收所造成。所以，我們利用在濺鍍純質氧化鋅(i-ZnO)時通入氫氣，與其反應形成氫摻雜氧化鋅(ZnO:H)薄膜，用來取代ZnO: Al層，由實驗結果發現ZnO:H薄膜具有較佳的電子遷移率，可改善在近紅外光波段所產生的自由載子光吸收，使其在近紅外光波段具有較佳的光穿透率，可提高元件的短路電流密度由34.5 到35.6 mA/cm2。

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SU-8聚合物之倒置脊狀光波導耦合器與分光器的模擬和實作研究

積體光學元件隨著製程技術的精進日益蓬勃發展。以矽為基板的元件更被廣泛的研究。被動元件如：光纖耦合器、分光器、放大器、…等，因近年光通訊崛起而被重視。本論文先在矽基板上沉積二氧化矽，並於其上做出兩個元件。第一個元件為倒置脊狀光波導耦合器，作法是先在二氧化矽中蝕刻出錐形凹槽，並結合聚合物SU-8進行微影製程，製作出倒置脊狀光波導耦合器以減少光打入第二個元件的耦合損失。第二個元件是利用多模干涉MMI(Multi Mode Interference)的原理，製作1 16 MMI分光器。 實作上先在矽基板上沉積一層二氧化矽，當下披覆層。接著利用黃光微影製程和乾蝕刻在二氧化矽吃出一個錐形凹槽，之後旋塗聚合物SU-8，再做一次黃光微影製程，將倒置脊狀光波導耦合器和1 16 MMI分光器結構一次成型，之後蓋上矽膠當上披覆層完成元件。

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光電式產生與接收W波段啾頻毫米波訊號之研究

本論文的主題是應用傅立葉轉換脈衝塑形技術以及光電毫米波發射器研究產生與接收啾頻毫米波。我們利用時域頻域映射轉換的基本概念產生及控制啾頻毫米波訊號。實驗系統中的關鍵元件之一為光電式毫米波發射器，偵測是使用兆赫時析光譜量測。此量測系統的雷射光源是中心波長為1560奈米的飛秒鎖模摻鉺光纖雷射。 此論文中提出了兩種頻率調變方式所產生的毫米波訊號。其一為線性啾頻毫米波。我們設計光譜的包絡曲線為高斯曲線，則產生的線性啾頻毫米波波形之包絡曲線亦為高斯曲線並且時間頻寬乘積為6.03。其二為階梯形啾頻毫米波。我們增加了塑形脈衝的數量並時間頻寬乘積可達到32.17。另外，其模擬結果與實驗結果十分相似。由實驗結果可知，經由合適的光譜設計，我們可以任意調控毫米波時域訊號的振幅與頻率。由於良好的頻率調控性，此方法可以有效的增強毫米波脈衝壓縮雷達系統的時間解析度。

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以離子束濺鍍法製作低損耗薄膜應用於雷射干涉重力波偵測儀之高反射鏡製程準備

製作LIGO (雷射干涉重力波偵測組織)高反射鏡有二大要求。一、在波長1064nm具有低吸收、低散射的光學損耗特性。二、薄膜材料本身須具備低機械損耗的特性。由於機械損耗來源主要是薄膜材料分子行布郎運動所產生的熱擾動所致，因此降低熱擾動有二種方法。一、選擇熱擾動較小的薄膜材料製作高反射鏡。二、利用每層40nm以下TiO2與SiO2多層堆疊的nano layer結構去取代單層1/4λ Ta2O5/Sio2高反射鏡中Ta2O5 膜層，除了能維持原來高反射的光學特性外，同時也能降低熱擾動。 該離子濺鍍機已經由本實驗室在鍍製低損耗光學混合膜之雷射反射鏡研究中，證驗了低吸收、低散射的薄膜特性。然而目前此濺鍍機卻已故障而停置許久，因此必須將離子束濺鍍機台(Ion-Beam Sputter)重置，以期能夠製鍍低損耗的二氧化鈦與二氧化矽薄膜，並且控制鍍率製作四種nano layer結構來驗證厚度之精準控制。論文內容包含重置離子束濺鍍機台所遭遇的各種問題以及解決方法，以確保日後進行nano layer製程之穩定性，並且完成了二氧化鈦與二氧化矽薄膜沉積分布、折射率與消光係數及鍍率之量測。量測過程中，發現二氧化鈦薄膜在膜厚125nm以上薄膜表面出現孔洞，因此進行一系列觀察與探討。最後透過三層、七層、十五層、十九層nano layer結構的製程，了解所能掌握厚度的範圍，在三層結構中，TiO2 厚度42.56nm SiO2厚度42.15nm，其TiO2 誤差在2%以內SiO2誤差則在6.6%以內，至於七層、十五層、十九層nano layer在SiO2 皆已超過10%之誤差，需再予以修正。

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室溫下量測機械損耗之系統設置與量測熔融石英玻璃懸臂及單晶矽懸臂之初步量測分析

從二十世紀中期以來太空探索越來越頻繁，無論是設計太空載具或是偵測地球以外的星體都需要投入大量的人力物力與尖端的科學技術。到目前為止天文觀測主要偵測電磁波來建立天文資料，但電磁波所挾帶的資訊仍不足夠且電磁波容易被物質吸收，目前美國與歐洲已經有重力波天文觀測台偵測天體但不是直接偵測電磁波而是直接偵測重力波(gravitational wave)來獲取更多的天文資料。從理論得知重力波非常微弱需要提高天文觀測台偵測靈敏度才能偵測到更遠的天文現象，經過研究發現反射鏡上多層光學薄膜的熱擾動(thermal noise)是量測系統頻譜最靈敏部分(~100Hz)雜訊干擾最嚴重的來源。反射鏡主要以多層光學薄膜組成才能有高反射低損耗的光學特性，如能找出熱擾動較小的光學薄膜材料製作高反射鏡就能提升下一代重力波天文觀測台偵測靈敏度，而直接量測熱擾動需要複雜的大型儀器且操作複雜耗時，可藉由量測機械損耗間接得知熱擾動大小。 　　筆者於論文中將介紹量測機械損耗的儀器架設與初步量測樣品結果。論文第一章介紹重力波天文台量測原理與動機說明，第二章介紹量測機械損耗方式與儀器架設細節說明，第三章介紹擷取訊號程式設定跟分析數據方式與量測雜訊結果，第四章為量測樣品結果與如何提高樣品品質並確認重覆夾持影響，第五章為儀器操作上需要注意的錯誤與解決方式，第六章針對目前結果提供可以改善的方向，附錄為儀器維護與樣品前置準備

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1009 nm外腔式錐形放大器半導體雷射之研究

氦原子是最簡單的雙電子原子系統，其理論計算與實驗測量皆非常重要，目前已有許多氦原子譜線的躍遷頻率被精密量測。我們計畫量測21S-31D的雙光子躍遷的絕對頻率，並藉由已量測的21S-23S和23S-33D的躍遷頻率得出準確的31D-33D能階差，進一步檢驗理論計算的正確性。 本論文研究使用錐形放大器為增益介質，此錐形放大器的光譜範圍為1000 nm - 1025 nm，並使用Littman-Metcalf架構建立一個波長為1009 nm的外腔式光回饋錐形放大器半導體雷射。初步結果，在波長為1009 nm單頻輸出最大功率為160 mW，閥值電流大約在3300 - 3400 mA左右，效益斜率為0.125 mW/mA，波長可調範圍1002 nm - 1016 nm (~14 nm)，光束剖面圖(Beam profile)為橢圓形並且有高階橫向模態。未來將改善其輸出功率，並以此雷射系統續進行觀測21S-31D的雙光子光譜。