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熔拉參數和色散機制對波長可調短通光纖濾波器之影響研究

在本論文中我們利用熔拉技術來製作光纖濾波元件，透過將熔拉的區域浸於折射率匹配油(色散材料)內來完成波長可調短通光纖濾波器的實驗製作。利用溫度控制器控溫,可觀察到此濾波器對溫度的調變率為50nm/oc，濾波效率-1.2dB/nm，拒波效率達50dB。我們也使用模擬軟體模擬出各種熔拉參數對濾波器的影響，包括熔拉直徑、熔拉均勻長度、熔拉漸變長度等。根據實驗和模擬的對照，我們歸納了一組最佳的熔拉參數範圍。最後，我們將原先的單模光纖換為雙被覆層光纖來製作出新的光纖濾波器。由於雙被覆層光纖的外被覆層具有較低的折射率，根據色散機制可得知此濾波器可以有更佳的濾波效率，而我們在實驗和模擬上也都一致地證實這個效應的存在。

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非晶矽薄膜電晶體開電流光敏感度用於背光感測之研究

近年來液晶顯示器（AMLCD）的發展重心，已從早期的薄膜電晶體陣列設計逐漸轉移到背光模組的發展。目前市面上液晶螢幕所使用的背光種類，常見的包括有冷陰極螢光燈管（CCFL）以及發光二極體（LED）。比較其優缺點，發光二極體不僅在色飽和度上優於冷陰極螢光燈管。從環境保護得觀點，由於發光二極體不需使用汞原料，因此發光二極體已有逐漸取代冷陰極螢光燈管之趨勢。而目前局部暗淡（local dimming）是發光二極體背光模組最受矚目的特有功能，其目的在於加強畫面的對比度，亦可減少顯示器的耗電量。 在本篇論文中，我們針對發光二極體背光模組的特性來做探討。在有局部暗淡功能的背光模組，其背光強度並非固定，而會隨著顯示的畫面做調整。因此我們提出藉由背光感測器來偵測背光強度的想法，進而可以確定背光的強度是否達到理想的情況。並且我們提出一種利用相同於非晶矽薄膜電晶體製成的感測電路，故可在不變動製成步驟和不增加成本的情況下達到面板與感測電路整合的目的。其中我們所使用的感光元件為非傳統型結構的非晶矽薄膜電晶體，並且針對在LED背光照射下的光特性做仔細的研究。同時，我們也分析可能會在元件感光上造成誤差的因素，並提出降低感測誤差的方法。

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多晶矽薄膜電晶體的空間與時間變動性探討

本論文探討多晶矽薄膜電晶體的在空間與時間上的特性變動。本論文雖然主要動機出發於主動式顯示器電路應用，但其結果則可擴大應用於顯示器以外的領域。本文首先討論在量產線上的元件特性變動，發現元件的變動特性除了有很嚴重變動範圍之外，其變動行為亦沒有模型能夠精確描述；這將在設計多晶矽薄膜電晶體電路時造成很大的問題。因此我們先參考在在金-氧-半導體電晶體(MOSFETs)結構中對於元件變動的討論，並且以類似的方式針對薄膜電晶體的變動性提出可能的變動因素。由此我們提出一”枕木型”布局方式並對此布局內的元件參數進行統計。此枕木型布局方式的特色是元件間的距離盡可能的縮到最小並且在此最小間距內，兩相鄰元件間的長距離變動(long-range variation)可以大幅降低。所量測到的元件參數呈現非對稱且不集中的分佈，與先前一般所預測的高斯分佈有明顯落差。利用電子學裡的小信號想法，我們可以將兩相鄰元件間的長距離變動與微觀變動(micro variation) 區分開，並可以進一步探討元件間的微觀變動模型。對元件的起始電壓與載子遷移率而言，N型與 P型元件其微觀變動行為均呈現較集中與對稱的行為。我們提出兩個數學式以精確描述其微觀變動的參數分佈，並根據此兩模型探討元件的變動行為在數位與類比電路上造成的影響。此外，我們亦利用此模型預測元件在不同元件尺寸下的變動行為。在論文研究方向上，利用枕木型元件布局可使元件的變動範圍大幅減小，以起始電壓為例，其標準差由0.5 V 縮減至0.03 V，這將有助於我們之後的元件時間變動性的討論，不會因元件空間上的變動行為而遮蓋住其在時間上的變動行為。 接下來我們討論元件在時間上的變動性。此處，元件的時間變動性可以單純的理解為其在直流與交流下的可靠度行為，並將於不同的章節裡個別討論。對於元件在直流操作下的可靠度行為，我們首先回顧元件在兩大劣化機制下，亦即為熱載子效應與自發熱效應，先前文獻已經發表的劣化行為。雖然已有很多文獻探討元件在這兩大劣化行為下所產生的元件特性改變，關於這兩個操作條件下元件的電容行為部份卻只有零星的文獻。我們討論在這兩個劣化行為下元件的電容特性變化，發現元件模擬軟體並不能很完整的描述元件的電容特性在不同量測頻率下的行為。因此我們採用另一個方法，利用相對較易取得的元件電流特性推論元件的電容特性，提出一由閘極界電層電容與通道電阻所組成的元件模型，利用探討元件的阻抗中的電容項與電阻項，我們定義一個特別的點PC以幫助我們利用元件的電流特性去探討其電容特性。由於阻抗的電容項與量測頻率有關，PC的位置亦與量測頻率有關。利用這個方式，我們探討元件在兩個主要劣化條件下的行為，同時也提出在這兩個操作條件下，元件在操作後的電路模型。對於兩個特別的電容特性在關閉區的行為，亦即N型元件在自發熱操作條件後與P型元件在熱載子操作條件後的現象，將會有一特別的討論。 接下來我們探討元件在閘極交流操作下的劣化行為。由應用端出發，我們發現元件在液晶顯示器面板內絕大部分時間處於閘極關閉區而其集極則持續給予交流訊號。然而，關於這個操作條件卻沒有任何已知的文獻探討其劣化行為。比較其閘極與源極電壓差以及閘極與集極電壓差，我們可以將其操作條件類比為閘極關閉區內的交流操作，而其源極與集極則均接地。N型元件在這樣的操作條件下，其電流特性出現了載子遷移率的下降，而電容則有扭曲(Distortion)的現象。對P型元件，其電流特性則出現了載子遷移率的上升，而電容則在關閉區出現異常的上昇。我們亦探討元件的劣化行為與閘極電壓的參數，以及其電壓範圍、頻率與工作週期(Duty cycle)的關聯。然而，由於其閘極電壓均低於其起始電壓，在通道裡應該沒有通道載子，也因此這個劣化行為無法利用先前由Uraoka所提出的模型解釋。在此我們依然使用前文所使用的元件模型，並且同樣討論元件在此操作條件下的阻抗行為。我們推論在此操作情況下元件的源極與集極接面將會有很大的電場，並進一步造成元件的劣化。然而，這樣的推論無法被直接驗證因為我們並沒辦法直接探測元件內的電壓分佈，因此我們使用一稱作gated p-i-n測試結構，其結構與TFT相似但其一端源極與集極的參雜經過更改，使其橫向結構類似一p-i-n元件。採用這種結構的特色是這樣的元件擁有和與TFT相似的結構，但其通道內的電壓可以由一端的接面控制，進而可以讓其另一接面上形成大電場。這樣，經由比較交流操作後的TFT與直流操作後的gated-p-i-n元件，我們先前所提出的理論獲得證實－處於很大逆向偏壓源極與集極接面的劣化是閘極關閉區下交流操作的劣化主因。關於N型與P型元件的不同劣化行為亦有深入討論。此外，亦比較了幾個相似的劣化條件，發現不論載子的來源來自於導通區的集極電流，或是關閉區的漏電流，抑或是由導通區切向關閉區時，由通道區被空乏掉的載子，一但接面上有大電場的產生，均會出現類似熱載子效應的劣化行為；由另一角度來看，其亦可被總結為一廣義的熱載子效應。總結而言，本文所提出的模型與其劣化模型將會為元件的時間變動特性提供有用的資訊，也可幫助評估元件的時間變動行為。

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在氧化鋅磊晶薄膜物理特性中晶體缺陷結構的角色

我們利用雷射濺鍍法於不同的基板上成長高品質(0001) c軸方向的氧化鋅(ZnO)磊晶薄膜;使用的基板包括c軸方向的藍寶石(α-Al2O3)基板和使用奈米厚的γ相氧化鋁(γ-Al2O3)或氧化釔(Y2O3)做為緩衝層的(111)方向的矽基板。針對氧化鋅長在藍寶石基板的系統，X光繞射結果指出相對於c軸方向藍寶石基板的晶格，c軸方向的氧化鋅其晶格沿著樣品表面法線方向旋轉30度，亦即兩者的橫向磊晶關係式為[1010][1120]sapphireZnO& 和 [1120][0110]sapphireZnO&。在沿著薄膜表面法線及水平方向氧化鋅X光繞射峰寬度呈現巨大的差異，揭示出特定貫穿式差排(threading dislocation)類型的幾何關係；從X光繞射及穿透式電子顯微鏡實驗數據計算出的貫穿式差排密度顯示出大部分差排是刃(edge)差排類型。結合散射及顯微術量測結果，證實貫穿式差排並非均勻分布在氧化鋅薄膜內，氧化鋅薄膜是由柱狀的磊晶核芯周圍環繞高密度的貫穿式刃差排的磊晶晶粒所組成。藉由掃描式電容顯微鏡及導電式原子力顯微鏡針對貫穿式差排聚集處做電性量測，發現其平帶電壓平移及電位勢障提高，這歸因於高密度的貫穿式刃差排存在而造成的界面捕獲電荷密度。另一方面，由於貫穿式螺旋(screw)差排密度遠小於貫穿式刃差排，因此我們無法確認貫穿式螺旋差排的位置及其電性。 對c軸方向氧化鋅磊晶薄膜成長於使用超薄γ相氧化鋁為緩衝層的(111)矽基板的結構分析結果顯示(111)方向的γ相氧化鋁磊晶緩衝層在沿磊晶緩衝層水平方向上存在兩個相互旋轉60度的晶畴，由此可以歸納三者的磊晶關係式為{1010}||{224} {422}||{224}ZnOAlOAlOSiorγγ−−。藉由X光繞射及光激發光譜實驗對氧化鋅磊晶層的結晶品質及光學性質研究，明確地將能帶邊緣輻射與深層缺陷輻射的強度比值與偏離垂直基板表面方向X光繞射峰φ 掃描的訊號寬度聯繫起來; 並且能帶邊緣輻射的寬度與氧化鋅(0002)繞射峰 θ−rocking curve的寬度表現出很強的相依性；這些現象證明，能帶邊緣輻射與深層缺陷輻射強度的比值主要受貫穿式刃差排影響，而能帶邊緣輻射的寬度與貫穿式螺旋差排有關。 X光繞射、光激發光譜及穿透式電子顯微鏡實驗證實，使用奈米厚、高介電質(high-k)材料氧化釔為緩衝層的(111)矽基板上可以成長同時具有高品質結晶及光學特性的氧化鋅磊晶薄膜。奈米厚氧化釔不僅可以提供成長完美氧化鋅磊晶薄膜的緩衝層，更可以成為氧化鋅及矽基板間的絕緣層。藉由X光繞射及穿透式電子顯微鏡量測，氧化鋅與氧化釔間的磊晶關係式遵循23(0001)2110||(111)101ZnOYO<><>關係。 氧化鋅晶格與氧化釔中的氧六方形次晶格(sub-lattice)具同向排列，二者之間的界面結構可以妥善地用7或8倍氧化鋅{0211}的面距匹配6或7倍氧化釔{044}的面距的晶畴匹配磊晶模型描述；如此大的晶格不匹配可以藉由錯配差排(misfit dislocation)在界面上以6或7倍氧化釔{044}面距週期性地排列做調節，使得殘留應力明顯降低。即使是厚度只有0.21 μm 的氧化鋅薄膜也展現優秀的光激發輻射特性。我們的實驗結果證明了氧化釔可以成為整合氧化鋅光電元件與以矽為主體的積體電路於一體的模板。 最後，從X光繞射、穿透式電子顯微鏡實驗數據，分別計算生長於上述三種基板的氧化鋅磊晶薄膜的貫穿式差排密度，結果顯示刃差排型式都是主要的結構缺陷；氧化鋅晶格總是與藍寶石基板，γ 相氧化鋁及氧化釔中氧的六方形次晶格呈同向排列，其所對應的二維次晶格晶格常數分別為2.75、2.8、3.75

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福衛三號大氣遙測星系效能及部署技術挑戰與展望

全球導航衛星系統(GNSS)無線電掩星(Radio Occultation，簡稱RO)技術有別於傳統的衛星微波輻射計，是一個利用地球尺度的幾何光學折射原理用於大氣遙測的先進邊緣探空太空遙測技術。此技術主要係接收經過地球遮掩的GNSS衛星所傳送的電磁波折射信號，由電磁波訊號穿過電離層和大氣層時受電子密度、溫度、壓力、及水氣等影響而改變信號的時間延遲，反演推算行進路徑下的電離層和大氣層相關的資料。福爾摩沙衛星三號(FORMOSAT-3，簡稱福衛三號)任務，又名「氣象、電離層及氣候之衛星星系觀測系統」(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate，簡稱COSMIC)任務，係由六顆同型實驗微衛星組成，是世界上第一個進行全球氣象監測的近實時運作展示的GPS RO衛星星系觀測系統。福衛三號於2006年4月中旬，在美國加州的范登堡空軍基地發射升空到地表516公里的暫駐軌道上。六顆衛星本體完成入軌健康檢查之後，開始進行三個衛星酬載包括GPS氣象量測儀(簡稱GOX)、小型電離層光度計及三頻段信標儀的一系列入軌儀器健康檢查、校正及實驗。隨後展開星系部署工作，前後共歷經19個月，近500次軌道轉換，每一顆衛星分別升軌到高度約800公里的全球均等分佈的六個軌道面上，福衛三號成為世界上第一個利用先進的地球進動理論進行星系部署的系統。微衛星的質量參數資料，將可供學術進行後續大地重力場量測及研究。目前每天觀測大約1,800~2,200個大氣層和電離層剖面資料點，提供給氣象操作中心和科學研究團隊進行氣象預報及分析用。經過全球氣象單位的資料評估及驗證，福衛三號對目前運作中的全球氣象預報模式及颱風及颶風軌跡路徑預測產生正面的影響，並可用以監測全球氣候變遷。利用先進的開迴路技術，福衛三號比之前的CHAMP任務所提供的RO資料，更深入穿透到對流層以下以探測大氣層的變化。由於福衛三號的優異科學成就，後續任務將進一步由實驗型轉換成作業型的任務，並計畫同時接收GPS/GALILEO/GLONASS系統的資料。本博士論文論述福衛三號星系任務的無線電掩星理論、星系部署原理、升軌操作技術、星系操作結果及所面臨的操作挑戰、及如何利用先進進動理論完成世界上第一個星系部署系統的寶貴操作經驗及成果，並敘述後續任務的任務分析及攜帶GNSS RO量測儀酬載的衛星概念設計。

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廣義光管在照明與顯示系統之應用與探索

在現今的光電產品中，光管與光導管一直是最基本與最重要的元件之ㄧ。有鑑於此，許多具有高傳輸效率或特殊需求的光管陸續被開發設計出來。以往，在照明設計的領域中，最佳化被視為困難的事情。如今拜電腦發達之賜，目前的商用光學軟體已逐漸提供設計者相當多的設計自由度，甚至自動最佳化的功能。然而，一組優良的起始設計或架構是軟體無法提供的。基於對於初始架構了解的需要，因此本論文探討了光線在光管與光導管中的基本行為與傳遞的機制。 本論文利用基礎的數學解析，模擬軟體的檢驗，與實際實驗的確認，探索了下列各項光管與光導管的基本特性： (一) 分析朗博光源在長直多邊型光管出口面的照度分布，特別是圓形和五邊型光管的能量集中現象，並包含了中空與折射材質。 (二) 提出兩種光管架構，達到可以保持光學偏振特性並使出光方向偏折任意特定角度的角度偏移器。 (三) 對於應用在超薄投影顯示器的楔形光導板的成像品質作像差分析，並對其特有的暗帶現象提出解決方案。同時將楔形光導板的概念延伸為全新的環場投影顯示器。 由本論文的探討，使設計者可以更加了解光管與光導管的基礎特徵，幫助設計者掌握其運作原理，並對於未來照明產品的設計與應用帶來更大的助益。