虎尾科技大學光電與材料科技研究所學位論文
國立虎尾科技大學,正常發行
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本研究中，我們優化460 nm 藍光發光二極體晶粒銲線製程，藉由優化金線線徑與打線線弧，能讓外界溫度改變時繼續使LED元件正常操作並提升樣品可靠度，此外我們分析失效樣品並找出其失效原因。透過溫度循環測試 (TCT) ，我們發現改變金線線徑由1.0 mil至1.2 mil及金線線弧由normal loop變更為Q loop均可提升LED銲線可靠度；另一方面我們同時使用1.2 mil金線線徑和Q loop打線線弧，發現可提升LED靠度，但沒有明顯加乘效果。最後使用M loop金線線弧可適用於各種不同尺寸LED晶粒，並可通過應用端客戶TCT 700次循環無死燈測試。
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本篇論文中，使用雙電漿輔助有機金屬化學氣相沉積(DPEMOCVD)設備在低溫下成長的氧化鋅(ZnO)薄膜，其平均透光率為87％，電阻率為6.94 Ωcm。再以超音波粉體分散，散佈銅奈米顆粒於氧化鋅薄膜上。分析不同重量百分比銅粉、聚乙烯?咯烷酮(PVP)濃度、不同退火溫度、不同退火時間，對氧化鋅薄膜特性之影響。銅粉最佳百分比為0.25wt%在退火時間為三分鐘與溫度500℃，銅奈米顆粒散佈於氧化鋅之電阻率為5.26×10-3 Ωcm，平均穿透率82%，薄膜優點係數為7.052×10-4Ω-1，在XRD分析中所成長的銅奈米顆粒散佈氧化鋅薄膜中擁有氧化鋅(002)峰值與銅(111)峰值。使用聚乙烯?咯烷酮(PVP)高分子分散劑可使銅奈米顆粒不易團聚，最佳PVP濃度為1×10-5M，在退火時間為三分鐘與溫度500℃時，可使電阻率達到2.13×10-3 Ωcm，且穿透率為80.4%，薄膜優點係數為1.026×10-3Ω-1。
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本研究將分為二個部份來討論，第一部分討論一維形式(One-dimensional)橫向氧化鋅奈米柱(ZnO nanorods : ZnO NRs)形貌，對不同濃度及生長時間下作形貌上分析。第二部分為選區成長橫向(Selective grown lateral)氧化鋅奈米柱之金半金光偵測器(metal-semiconductor-metal photodetectors; MSM PDs)，此部分對元件作I-V量測與光響應度的特性分析。 本實驗透過微影製程與射頻磁控濺鍍(radio frequency magnetron sputtering)系統將氧化鋅奈米柱之成核層部分在選區成長位置以利奈米柱作為橫向成長方向。我們使用低溫水溶液法製備橫向氧化鋅奈米柱且可自由控制直徑與依照光罩的限定長度來達到兩電極間之聯結，利用奈米柱單晶結構特性大幅增加電子的傳輸速度，大幅提升元件之特性。 本文研究使用鋁(Al)作為接觸電極，在材料部份經由X光繞射頻譜分析(XRD)、高解析度穿透式電子顯微鏡(High-Resolution Transmission Electron Microscope,HR-TEM)、成分分析(energy-dispersive spectrometry : EDS)以及場發射電子顯微鏡(FE-SEM)檢驗橫向奈米柱的品質。在形貌分析上，在控制濃度與生長時間的情況下，本研究發現在硝酸鋅(Zinc nitrate)比六亞甲基四環安(HMTA)濃度為0.04，生長時間為6小時下有一個最完美的形貌，能平形且完整的連接兩電極作為元件的通道層使用。在光偵測器(Photodetector)部分，發現橫向氧化鋅柱光偵測元件在濃度為Zinc nitrate:HMTA=0.04:0.04與生長時間為6小時下具有高的光應度(Responsivity) 13.87 A/W，其中紫外光到可見光互斥比(UV-to-visible rejection ratio; R380/R450)達到 103.63。不論如何，在這些研究中經由簡單以及低成本的技術可製作出氧化鋅為基材的元件，在未來具備將發展整合光電積體電路(OEIC,OptoElectronic Integrated Circuits) 。
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電池是現代不可或缺的消耗品，各可攜式裝置皆須使用電池作為動力，電池將影響裝置壽命，監控電池便會是主要的保護動作。本創作利用HT66F50晶片及硬體電路來測量電池容量並搭配LCD顯示，可和市面上任何充電器作搭配且可使用所有種類電池，透過LCD顯示得知受測電池是否與產品規格標示吻合，進一步了解電池可用之電量損耗情形，充放電動作是否正常及是否符合電池續用效益。 本裝置測量方法為了確保準確性，利用比對ImaxB8+儀器進行同廠電池檢測，以A廠牌電池為例，其出廠容量為1500mAh，本裝置進行10次充放電循環檢測，充電平均量測結果為1484.1mAh，放電平均量測結果為1478.1mAh，ImaxB8+充電平均量測結果為1490.5mAh，放電平均量測結果為1487.8mAh，兩儀器對於各廠充電量量測結果之誤差值皆與1%以內，估測之精確度於可容許範圍以內，並於2小時內效率檢測完畢。
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目前電池應用這塊市場需要高能量、高功率及體積小的電池，電池已是驅動高耗能產品主要的核心之一，電池的開發非常重要。目前電池管理系統(Battery Management System, BMS)成了電池應用方面相當重要的核心技術，BMS 負責對電池組進行安全監控與有效控制及管理，提升電池組於車輛運行時的使用效率與可靠性，並提高電池組之使用壽命及減緩電池老化速度；而電池芯間的特性及老化程度不一致會導致串聯電池芯發生過充或過放及電池電容量減少導致電池效能降低。本檢測裝置運用庫倫積分量測法運算電池電容量，庫倫積分法可實現於多款電池上，且電流平均量測誤差為1%。一般檢測裝置需要經過完整充電流程，透過整合電壓量測法能有效減少檢測時間，以3000mAh的電池來檢測，正常需花155分鐘判斷效能，而透過本論文檢測只需要45分鐘的時間，即可告知使用者此電池是否適合繼續使用。
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本研究是利用盛群微控制器HT66FU50，配合藍光感測元件特性與紅外線編碼應用在藍光眼鏡傳輸上，以藍光感測元件來接收環境藍光強度及照度五點量測法進行兩種程序之量測法則來使量測數值正確性，準確度為2.24%，若經過照度五點量測法後準確度為1.28%大幅提升準確度，並在量測系統重複性與再現性的分析研究(Measurement System Analysis)報告中，量測系統分析(GR&R)為1.125%，可靠等級高。 藍光數值監測計引用藍光感測元件特性與照度五點量測法再經由藍芽到手機SD卡存入數據，並以APP程式顯示藍光監測數據。藍光眼鏡與藍光數值監測計能廣泛被應用在日常生活中達到保護眼睛的效果。藍光感測元件、紅外線編碼與藍芽到SD卡存入數據為本計劃之核心。
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本研究利用電漿增強化學氣相沉積系統(Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition，PECVD )沉積非晶氧化鈦薄膜(厚度約200 nm)，並且使用高溫爐於溫度500℃下進行後續氧氣熱處理來提升氧化鈦薄膜結構使其形成具備銳鈦礦(Anatase)結構之多晶氧化鈦薄膜。接著，再利用金屬蒸鍍系統沉積銀金屬薄膜(∼10 nm)後，並利用快速熱退火爐經由不同環境、熱處理溫度來製備氧化鈦/銀金屬薄膜表面微型結構，分別與單層銀金屬薄膜共同探討於不同熱退火環境與溫度對其薄膜之影響，並使用原子力顯微鏡(AFM)、X光射線繞射儀(XRD)、場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)、X光光電子能譜儀(XPS)等儀器進行量測及分析薄膜材料特性。最後，將氧化鈦/銀雙層結構薄膜進行紫外光(5 mW/cm2)及可見光(10 mW/cm2)光觸媒降解亞甲基藍液以及大腸桿菌殺菌實驗，並以多晶氧化鈦薄膜作為本研究對照組，比較其光觸媒降解特性及殺菌特性。 本研究中，首先從銀金屬薄膜進行分析，FE-SEM結果顯示銀金屬薄膜經高溫熱處理後其表面粒子會團聚形成顆粒狀的奈米銀粒子，而奈米銀粒子有其特殊的局部性表面電漿共振效應，其共振波的頻率會隨粒子大小而有所變化，而從光觸媒降解亞甲基藍溶液實驗中可以發現銀金屬薄膜經由500℃氮氣環境熱退火處理在紫外光及可見光照射下對於亞甲基藍溶液之光降解反應速率常數k值為0.00369 min-1與0.0172 min-1，皆優於銀金屬薄膜在其他環境與溫度之光降解反應速率常數。接著進行氧化鈦/銀雙層結構薄膜研究，結果顯示從FE-SEM可以發現到經由熱處理後之表面銀粒子會團聚以及擴散至下層的多晶氧化鈦薄膜中，且從XPS的Ti 2p軌域中可以發現經由熱退火處理後，Ti 2p3/2軌域束縛能能量有紅移現象產生，表示多晶氧化鈦薄膜因為銀粒子的添加使得有較多的Ti3+存在，然而Ti3+存在將會有利於減緩照光後產生的電子-電洞對復合率，因此，從光觸媒降解亞甲基藍溶液實驗中可以發現，氧化鈦/銀雙層結構薄膜經過500℃氮氣環境熱退火處理後在紫外光及可見光照射下對於亞甲基藍溶液的光降解反應速率常數k值為0.0154 min-1及0.0360 min-1，優異於其他氧化鈦/銀雙層結構薄膜以及多晶氧化鈦薄膜。最後將進行光觸媒大腸桿菌殺菌實驗，研究結果顯示，多晶氧化鈦對大腸桿菌殺菌效果有限，於紫外光及可見光照射下其殺菌率分別為39.8 %與23.9 %，而單層銀金屬經由紫外光與可見光照射下之殺菌率分別為43.6 %以及59.1 %，因奈米銀金屬本身即具有抗菌特性，因此對大腸桿菌有較佳之殺菌效果。本研究使用氧化鈦/銀金屬結構進行改善，其中以氧化鈦/銀經過500℃氮氣環境熱處理後結構對於大腸桿菌殺菌效果最佳，在紫外光與可見光照射下其殺菌率皆可高達100 %，因其具有較大的光觸媒反應面積以及較高的光量子轉換效率，綜合以上結果證實具有氧化鈦/銀金屬結構確實能有效提升氧化鈦薄膜的光觸媒特性與抗菌特性。
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本論文實現一種以動作辨識作為密碼之解鎖系統。鎖具端和鑰匙端間採用射頻 模組作無線傳輸，並透過鑰匙端設置的加速度感測器取得鑰匙的轉動方向和角度作 為動作辨識，使用者依照正確的方向將鑰匙轉動至正確角度作為一次密碼輸入，每完成一次正確的動作，鑰匙端和鎖具端通聯一次，使用者需要正確得完成全部的動作，才能使鎖具端完成開鎖。 此外，為了確保無線傳輸時的安全性，本論文在 8 位元微控制器中實現高級加密標準(AES)，並可動態改變金鑰，在每次通訊過程透過交換隨機數改變金鑰內容。
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本論文使用光學同調斷層掃描技術(Optical Coherence Tomography,OCT)，此技術是使用低同調干涉(Low Coherence Interferometry,LCI)的技術使用麥克森干涉儀當作基礎架構，常應用於工業量測以及生物醫學方面的顯影成像。 光學同調斷層掃描(OCT) 是一種高分辨率、非接觸、非破壞性的生物醫學成像新方法。通過高分辨率，探測樣品不同深度層面背向反射回來的光強度，可以得到樣品的深度資訊。OCT主要分成時域OCT(Time-Domain OCT)與頻域OCT(Frequency-Domain OCT)，主要差別在於TDOCT必須要手動或是使用電腦控制移動平台來改變光程差讓樣品端跟參考端光程差等於零，而FDOCT不需要去做連續性的移動，只要將由光譜儀所接收的數據經由電腦程式MATLAB做傅立葉轉換(Fourier Ttransform)就可以達到我們想要的樣品資料。 本論文使用了時域式OCT之光纖式系統架構，在樣本端加入顯微鏡，針對不同生物樣本進行量測，利用低同調光源經過樣本所產生的光時差來推測已知厚度之生物樣本折射率，其優點包括高深度斷層掃描解析能力與穿透能力。
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本研究利用射頻磁控共濺鍍系統，以氮化鋁-氧化鋅靶材製作出未摻雜氧化鋅薄膜與氮化鋁-氧化鋅共濺鍍薄膜，並製作出氧化鋅異質結構、氮化鋁-氧化鋅雙異質結構及氮化鋁-氧化鋅量子井結構，針對不同主動層厚度之雙異質結構及量子井結構，以光激發螢光量測與霍爾量測探討其結構之光電特性，霍爾電特性量測顯示薄膜載子濃度有逐漸下降的現象，而光激發螢光量測顯示由於鋁原子擴散影響，雙異質結構及量子井結構皆能抑制未摻雜氧化鋅的本質缺陷-氧缺位，從電激發螢光量測可發現降低主動層厚度可使元件內部載子侷限效應及複合效率提升，主動層厚度為20 nm時，發光波段為420 nm及610 nm，元件發光偏向白光(CIE1931 X=0.3330 Y=0.3138)，當主動層厚度下降至5 nm時，發光波段變為408 nm，元件發光轉為藍紫光(CIE1931 X=0.2615 Y=0.2370)，說明降低主動層厚度確實可提升侷限效應及複合效率，而為了更進一步提升元件發光效能，因而製作多重量子井結構元件，從電激發螢光量測可觀察到，隨著井區對數增加，載子於ZnO層內的侷限效應及複合效率逐漸提升，使得元件發光效能提升，元件發光強度增強，發光峰值產生藍移的現象，當井區對數增加至10對時，元件發光峰值大幅藍移至385 nm，十分接近氧化鋅的本質發光，使得元件發光轉偏為紫光(CIE1931 X=0.2703 Y=0.1893)。此現象證實增加井區對數確實可提升載子的侷限效應及複合效率。由於元件於高電流操作下會有熱效應產生，為了減少熱效應對於元件的影響並提升元件發光效能，因此將載子侷限層從50 nm降低至20 nm及10 nm，經由計算發現串聯電阻從8.33 kΩ降低至6.6 kΩ，由於串聯電阻降低，使得元件內部熱效應減少，元件發光效能提升，元件發光強度提升了約1.29倍。