交通大學光電工程系所學位論文
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在本研究中，我們發展三種半導體層圖案化的方式製作有機薄膜電晶體，也量測圖案化前後之電性差異並且比較不同圖案化製程間的差異。我們發現疏水性的半導體材料並不適用於傳統的光阻圖案化製程，我們接著塗佈另一層聚(4-乙基苯酚)於半導體層之上，雖然可以完成圖案化，但在製程中去光阻的過程仍會對半導體材料造成破壞，因此我們使用兩段式無溶液的蝕刻製程可以完全去除有機溶劑對於半導體層的影響，是一種最適當的圖案化方式。最後，我們也使用此方法製作有機雙極性薄膜電晶體，預計將能應用於製作類互補金氧化物半導體雙反器的製作。
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本研究中使用射頻電漿輔助化學氣相沉積系統來沉積微晶矽氧化物薄膜，並應用於矽薄膜太陽能電池。對於單接面非晶矽薄膜太陽能電池而言，吸收層的厚度須薄以減少光劣化效應，因此，必須使用光捕捉效應來增加光程來降低較薄吸收層所造成的吸收限制。微晶矽氧化物薄膜有較大的能隙，較低的吸收係數及較高的電導，適合應用於摻雜層。然而，氧的加入將使薄膜的結晶率與電導同時下降。本研究中藉由調變製程參數，相較於非晶矽n型摻雜層，微晶矽氧化物n型摻雜層可以獲得較大的能隙、較低的折射率及較高的電導。微晶矽氧化物n型摻雜層的特性與透明導電層相似。因此我們將非晶單接面太陽能中的非晶n型摻雜層及透明導電層之背反射結構用非晶n型摻雜層及微晶矽氧化物n型摻雜層代換，本文中最佳的非晶矽單接面太陽能電池之轉換效率為 9.63%，其開路電壓為 890.1 mV，短路電流密度為 14.73 mA/cm2，填充因子為73.51%。此外，我們還使用雙層微晶矽氧化物n型摻雜層取代非晶n型摻雜層及透明導電層之背反射結構，最佳的非晶矽單接面太陽能電池之轉換效率則為 9.60%。
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我們成功的利用奈米球微影技術(Nanosphere lithography)製作大面積的二氧化鈦之仿生次波長抗反射結構，並且將其應用於三接面三五族太陽電池之上，結構是利用反應式離子蝕刻儀器之非等向性乾蝕刻所製作，調變蝕刻氣體參數即可改變次波長結構之表面形貌，此種抗反射結構比起一般傳統單層抗反射層有著更好的寬頻譜抗反射能力，除了一般傳統抗反射層最優勢的特定波段，此外的範圍都可以有著更低的反射率；我們利用了此種抗反射的特性應用在磷化銦鎵/砷化銦鎵/鍺三接面太陽電池上，相較於沒有抗反射結構與傳統單層抗反射層的太陽電池，分別提升了28.3%與1.7%的光電流。 本篇論文介紹了如何製作二氧化鈦仿生次波長抗反射結構，我們利用旋塗法將奈米級別的聚苯乙烯小球製作出大面積的單層週期性結構，再利用非等向性蝕刻控制結構的形貌，利用其漸變折射率的原理有效的降低了反射率，並且發現此種結構也具有優異的寬頻譜抗反射特性；我們也把此種結構做在太陽電池表面，並且量測其光電轉換效率，外部量子效率以及變角度光電轉換效率，以上的量測都顯示出次波長抗反射結構優於單層抗反射結構。接著我們進一步的改善了蝕刻參數，製作出更接近理想形貌的次波長結構，並且運用RCWA貼近量測反射率，並改變次波長結構之週期與高度等參數，搭配太陽光譜與計算出的反射率以推測最高之效率；此外我們也發現了二氧化鈦此種材料會損害太陽電池表面，造成電池本身電性稍微降低，不過此並不會影響太多整體效率。
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本研究中我們在反式結構有機太能陽電池的Cs2CO3中層加入金奈米粒子引發局部表面電漿共振，以提升元件的能量轉換效率。我們發現元件在摻雜奈米粒子後，元件的開路電壓並未改變，而短路電流、填充因子、能量轉換效率則有明顯的提升，元件最終效率由3.12%提升至3.54%。此外，經由量測並計算所得的激子產生率和分離機率可以證實表面電漿效應不單只能增加元件對光的吸收，也可有效抑制主動層中電子電洞對的再結合；我們推論元件的短路電流和填充因子因此而提升。
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本研究中我們利用多元件堆疊結構及使用互補吸收材料製作有機太陽能電池。其中半透明子元件採用三氧化鉬/銀的雙層結構製作反式其透明電極，在可見光波段的穿透度可達35%以上，之後我們嘗試在此透明元件之後堆疊上一個低能間隙的小分子元件，利用吸收前面反式結構透明元件穿透之後剩下的光，將入射光達到最大吸收應用，將兩個元件串聯或並聯，由於兩個子元件具互補吸收，此多元件堆疊結構的整體能量轉換效率在標準量測環境下可達4.37%。
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本論文利用感應耦合型電漿化學氣相沉積系統在265oC下製備高結晶性及低電阻率之微晶矽薄膜。藉由X光粉末繞射儀及電子束穿透顯微鏡分析驗證微晶矽薄膜具有高結晶性和極薄的非晶矽孵化層。此外，透過系統性的介電質參數最佳化，如氬流量、射頻功率、腔體壓力及甲烷/一氧化二氮的比例等，開發出高品質的介電層薄膜。利用高/低頻電容量測法萃取介面缺陷能態密度、漏電流及蝕刻率評估等方式驗證超薄(<5奈米)、低漏電流(10-8安培/平方公分於10伏特操作電壓下)且緻密的介電層。因此，利用此高品質的介電層，我們利用電將技術開發出超低漏電流低缺陷介電層並整合到不同厚度之薄膜電晶體，成功地將起始電壓降低了約1伏特。此電漿技術將可以達到製造3D堆疊元件的願景。整合此高結晶性及低缺陷之主動層及介電層的堆疊式上閘極和下閘極之微晶矽薄膜電晶體，其載子遷移率分別達到466和123平方公分/伏特-秒、次臨界擺幅為0.1~0.2 V/decade，開/關比為106已達世界級水準。非揮發性記憶體，例如:快閃式記憶體、EEPROMs不論在高密度記憶體、邏輯電路或是在微電路的應用，Si基板上已經是將當成熟，但在玻璃上因Tg溫度限制仍然相當困難因。我們應用此介電層及主動層技術於金屬-氧化物-氮化物-氧化物-多晶矽型非揮發性記憶體，成功壓低抹除和寫入電壓，並可在10-6脈衝寬度及有效打開記憶體特性，達到省電節省成本的目的產業上在可攜式平板電子產品可提高電池壽命。
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本論文主要藉由由光譜及光學量測，討論含硫基的短硫鏈分子對殼核硒化鎘/硫化鋅量子點表面的影響和效用。由於量子點的表面對體積的比例極高，因此量子點的表面電子分佈結構會決定其物理性質及光學性質。此篇論文，我們使用一些硫醇分子，包括β-巰基乙醇 （BME） ，3 - 巰基丙酸（MPA）和1 - 丙硫醇（NPM）去測試分子和殼核量子點表面缺陷的交互作用。其中分成兩個研究的時間點 : 加入硫醇分子立即量測，以及加入分子後，過24小時再量測。我們主要只用超快吸收光譜、上轉換螢光光譜、溫度相關光致發光光譜和穩態螢光光譜來釐清硫醇分子對量子點的作用和機制。由實驗結果，可以知道硫醇分子 (thiol) 先由硫基孤對電子對 (sulfur lone-pair) 靠近量子點表面，以微弱的配位鍵形式 (coordination-type) 靠在量子點表面並減少表面缺陷，使量子點的表面鈍化 (surface passivation)，螢光強度增強 (PL enhancement) . 長時間後，硫醇分子會轉為硫醇基(thiolate)，分子改由較強的共價鍵形式 (covalent-type) 鍵結在量子點表面，但同時也產生新的缺陷，致使電洞由核內轉移出來，使螢光減弱 (PL quench)。此篇使用的硫醇分子對量子點有不同的影響，可能是抗氧化力、硫醇分子解離能力，或者是否有其餘孤對電子對作用等因素。最後，我們發現只要量子點表面附近有足夠的電子雲，就能使量子點表面鈍化。這是硫醇分子常被用來進行量子點配位體交換 (ligand exchange) 的主要原因。
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近年來，非晶態銦鎵鋅氧薄膜電晶體(InGaZnO-TFT)因具備高透光性及高載子驅動電流特性，受到極大的矚目。但在降低成本與環保為訴求的技術目標下，銦鎵鋅氧組成的金屬氧化物半導體材料(IGZO)中含有稀有貴重元素-銦(In)與鎵(Ga)，未來將會受到發展的限制。因此，開發不含貴重及稀有元素(In/ Ga free)的氧化物半導體便成為工業界與學術界共同的研究目標。本研究中，我們開發出不含貴重及稀有元素(In/Ga free)的氧化物半導體---氧化鋁鋅錫(Al-Zn-Sn-O)，對非晶態氧化鋁鋅錫薄膜電晶體來進行電特性與材料特性的分析與探討。氧化鋁鋅錫薄膜的光學能隙高達3.5eV以上，僅會吸收波段小於360nm的紫外光，在可見光的波段具有高穿透性。我們先藉由改變退火的溫度來改善薄膜，進一步以不同電漿處理，來探討不同電漿處理對於薄膜修補的影響。 由實驗結果顯示隨著退火溫度增加，氧的鍵結增強，缺陷減少，元件臨界電壓變小，其他電特性也隨之改善。薄膜經過退火之後我們藉由氧氣電漿以及氧化亞氮電漿處理，修補薄膜中缺陷態的氧，更進一步增強氧的鍵結，有效的提升元件在長時間操作下的可靠度，以及長時間照光操作下的可靠度。另一方面，我們希望藉由電漿處理來降低退火的溫度，以減少製程的熱預算。研究中，我們發現低溫退火(350oC)的元件，再透過氨氣電漿處理薄膜，可以增加薄膜的導電性，提高載子遷移率，成功將載子遷移率由0.48 cm2/V s提升到1.2 cm2/V s，因此極有潛力成為下個世代的主流顯示技術。
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本論文將改善之垂直式空間電荷限制電晶體(SCLT)應用於作為有機發光二極體(OLED)之驅動電晶體。過去SCLT雖然可以在 -2 V 以下做操作，但是若要以驅動 OLED 作為應用，至少需要 -7 V 以上才能達到最基本需求。因此在論文第一部分中，增加 SCLT 之絕緣層 poly(4-vinylphenol) (PVP) 厚度，來改善以往在高偏壓時容易崩潰的情況。目前將 PVP 厚度增加到 400 nm ，主動層 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 使用液態製成刮刀塗佈法，可以操作在電壓 -15 V 並達到 45 mA/cm^2；主動層使用旋轉塗佈法可以得到輸出阻抗 17871 Ω∙cm^2。並以連接線方式將 SCLT 作為綠光 OLED 驅動，可以在 -15 V 得到 2132 cd/m^2，此外亦使用 Silvaco TCAD 模擬軟體來驗證實驗。第二部分對 SCLT 結構上會造成漏電之處做初步改善，因為基極 (Base electrode)之電流是造成漏電的來源之一，所以將絕緣性的 polystyrene (PS) 使用轉印的方式將其包覆在基極電極上，可達到降低一個次方。
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為了解決影響電泳式電子紙顯示器顯示品質之主要現象之一：殘影現象，一般常見的解決手法是使用快速切換黑白狀態的驅動波形來清除造成殘影現象的內部殘餘電場，但此種驅動波形不但費時且在黑白快速切換的過程中造成的閃爍會造成人眼的不舒適，因此本論文的設計目標是針對該閃爍驅動波形的缺點進行改善。 透過了解電泳式電子紙對於輸入不同電壓、不同形狀以及不同長度的驅動電壓的光學響應來了解電泳式電子紙之特性，並與已建立之電泳物理模型連結，以設計出更快速、更具抑制殘影能力並同時減少閃爍的驅動波形。 在最後應用於硬體的實作當中，對新設計之波形的各項表現與原本傳統之閃爍驅動波形比較。結果顯示新設計的波形不僅擁有更加優秀的殘影抑制能力，同時驅動時間只有閃爍波形的1/2，且最重要的是減少了閃爍波形中的閃爍所帶來的人眼不舒適，因此此新設計之波形有相當大的潛力能夠取代現有閃爍波形提供電泳式顯示器更加優良的顯示品質。