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藉由最佳化LED排列方式增進背光源LED波長使用範圍之模型

薄型化液晶電視(Slim format LCD-TV)逐漸成為顯示器市場趨勢，此外，因為發光二極體(LED)具有高能量萃取效率、較長使用壽命、不需使用含汞元素和符合綠色能源需求，LED被視為是下一世代背光源的主流。基於製程上的因素影響，整面晶元(wafer)做出來的所有LED，各項品質和參數會有些許不同，可以根據光波長、光強度和操作電壓來分類，然而，LED在背光源的使用上，波長的挑選是非常苛刻的，導致目前面臨LED無法有效利用、背光源成本無法降低的問題。 本篇論文提出一套分析背光源光學特性系統，來使LED能被運用的更有效率。這套系統的操作原理，首先，需要量測單一光源的光線擴散軌跡(Light spread function)與頻譜(spectrum)資訊，再藉由計算光輝度分布、頻譜線性疊加與色彩座標轉換的模擬程序，來獲得整面背光源色彩均勻性及色偏量的結果。此系統的準確度，已經由比對模擬結果與實際成品來獲得驗證，在展示品中，使用了外層螢光發光技術(Remote phosphor technology)，此結構具備厚度薄、壽命長和光源種類可用範圍廣的優點。藉此分析背光源光學特性系統，可輕易獲得不同條件下的背光色偏量，再加以設計可達降低生產成本與光源有效利用的目的。

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LED照明系統應用在室內無線光通訊之研究

本篇論文中，我們提出了利用Bias Tee結合高頻訊號以及低頻的AC電源訊號，並將結合後的訊號供給LED作可見光通訊傳輸，將AC電源與可見光通訊系統做結合，並且達到60Kbps的 Data rate，以及10-9的Bit error rate。除此之外也將TDD的技術應用在雙向傳輸的可見光通訊系統上，讓Cross Talk的現象可以完全被消除，並且達到1.4Mbps的Data Rate以及10-6的Bit error rate。在本論文中，第一章會介紹可見光通訊的起源以及背後相關的元件及技術，然後提出與可見光通訊相關的應用，為可見光通訊此主題做一個概略的介紹。第二章則是會介紹可見光通訊光源，LED，的原理以及與可見光通訊之間的關聯，並且針對可見光通訊系統常會遇到的問題及其原理作詳細的描述。第三章的部分會針對我們希望解決的問題作相關文獻的回顧以及提出我們的實驗設計及模擬。而實驗結果與討論將會在第四章中完整的呈現並作探討。最後在第五章會為本論文作出一個總結論並且提出未來需要努力的研究目標及方向。

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主動式液晶透鏡應用於裸眼立體顯示器

為了得到更自然的立體影像，近年來已有許多專家及廠商投入立體顯示器的發展。大多數立體顯示器使用固定式的光學元件，但此種顯示器僅能提供3D影像，無法提供2D影像。因此，可切換2D、3D影像顯示器的發展便顯得重要。 本論文提出的主動式液晶透鏡(Active-TFTs Liquid Crystal Lens)可應用於2D、3D影像的切換，也可應用於3D旋轉式螢幕，又或者是區域性的2D、3D切換。此篇將藉由半導體特性形成的開關，以及高阻值材料層的液晶透鏡，來達到區域性的2D、3D切換。透過閘極與源極輸入電壓，便可決定哪一個透鏡的中央電極將被充電。關閉輸入電壓後，若與兩旁電極無壓差，則無透鏡效果，反之亦然。主動層以及液晶層的電性將會影響充放電的時間，其中又以漏電流最影響放電時間，進而影響液晶透鏡的持續時間。利用退火得到好的主動層電性，再利用儲存電容延長放電時間，如此一來便能達到區域性的2D、3D切換，使得未來立體顯示器功能上有更多發展的可能性。

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超高速60GHz光載微波無線訊號系統

The increasing demand for wireless video-based interactive and multimedia data services explains why 60-GHz wireless system is a promising candidate to provide multi-gigabit-per-second services. While attempting to generate and transmit 60-GHz signals in a wireless system cost effectively and increase the spectral efficiency to facilitate multi-gigabit-per-second services, this work presents four novel RoF systems based on optical frequency multiplication to reduce the bandwidth requirement of optical transmitters. In this thesis, the performances of RoF systems are investigated by theoretical analysis, VPI WDM-TransmissionMaker simulation, and experimental demonstration. Additionally, we employ RoF systems with OFDM modulation, single carrier modulation, adaptive bit-loading algorithm, I/Q imbalance compensation algorithm, and pre-coded method to successfully circumvent multiple system impairments resulting in significant system performance improvement. Optical I/Q up-conversion system with frequency quadrupling technique for 60-GHz RoF system are proposed. The advantage of the proposed transmitter is that no electrical mixer is needed to generate RF signal. Therefore, I/Q data of RF signals are processed at baseband at the transmitter, which is independent of the carrier frequency of the generated RF signal. Negligible power penalty following 25-km standard single-mode fiber transmission is observed, capable of significantly extending the service range to various applications within a building or campus. Electrical I/Q up-conversion RoF system which is a simple architecture for 60-GHz application are proposed. This system can achieve fiber transmission distances exceeding 3-km and 10-m wireless transmission distance without any chromatic dispersion compensation. Fiber links of 3km are sufficient for most short-range RoF applications such as in-building systems, where low system complexity is very critical. This work also demonstrates the 2×2 MIMO technique for capacity improvement of the proposed system. Both SISO and MIMO systems are achieved record data-rate within 7-GHz license-free band at 60 GHz and BER measurement results are below the FEC limit of 1x10−3. Hybrid access network which support both 60-GHz RoF and FTTx systems using a frequency multiplication technique are presented. One of architectures uses single-electrode MZM with frequency doubling technology. The other architecture uses dual parallel MZM with frequency quadrupling technology. Furthermore, wavelength reuse for uplink data transmission via a RSOA is also demonstrated. Two proposed hybrid access network systems exhibit no RF fading, no narrow-band optical filter is required at the remote node to separate the RF and BB signals, and vector signals are carried. Therefore, the proposed systems are compatible with the current PON system.

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反向式光罩與光源合成於光學微影解析度之提升

隨著互補式金屬氧化物半導體(CMOS)朝著20奈米的節點推進，許多已被提出的解析度增益技術(Resolution Enhancement Technique，RET)有著不同程度的成功應用，其中包括光學鄰近修正術(Optical Proximity Correction，OPC)、浸潤式微影術(Immersion Lithography)、兩次圖案技術(Double Patterning) 、反向式微影術(Inverse Lithography，IL)以及光源光罩最佳化(Source and Mask Optimization，SMO)，然而在眾多RET技術中如何做選擇乃須審慎考量成本與圖形保真度(Pattern Fidelity)之間的平衡，因此本論文將目標著眼於利用反向式微影技術最佳化光罩(第三章與第四章)、光源最佳化用於自由型式光源之設計(第五章)以及產業接受度高的光源與光罩最佳化(第六章)於深次波長解析度增益之提升。 本論文的第一章概括介紹了現今微影技術的相關發展，其中包含目前主流技術與下一世代的候選技術，根據文中所引用文獻的調查結果使用反向式微影技術所優化的光罩以及光源與光罩最佳化設計在大量生產製造(High Value Manufacturing，HVM)上較其他下一世代微影技術更具成本優勢，第二章主要為探討以及分析在光學微影技術之影像形成的原理機制，並同時推導與歸納本論文所需的公式與數值方法，本文以波動光學的角度再次推導了 Abbe 與 Hopkins 兩種部分同調成像的影像公式。 在本論文的第三章提出了以波前為主像素翻轉(Wavefront-Based Pixel Inversion) 的反向式演算法在標準OPC流程之前快速計算出以模型為主的次解析輔助特徵(Model-Based Sub-Resolution Assist Features，MB-SRAFs)，另外藉由搭配圖形簡化的技術可使得經由反向式計算所產生的初步光罩圖形順利銜接後的OPC流程，結果顯示搭配所提出之反向式光罩修正流程可改善22.34%的邊緣配置誤差(Edge Placement Error，EPE)，而反應影像對比好壞的參數 – 常態化的影像指數斜率(Normalized Image Log Slop，NILS)僅變差了1.93%，然而使用反向式微影技術成敗與否乃取決於其價值方程式(Cost Function)的設計優劣，但是如何設計價值方程式以及其中的訣竅仍鮮少被討論，因此在第四章調查了兩個廣泛被使用的價值方程式其為光學影像以及光阻影像，另外亦設計了影像對比度的價值方程式並進行研究，最後發現同時搭配使用多個價值方程式情況下，設定較大係數於光阻影像價值方程式並搭配較小係數之光學影像或影像對比度的價值方程式可得到較好的修正光罩與成像結果。 在光源修正的部分，一般用來描述光阻化學反應的Sigmoid函數轉換使得光阻影像為一光學影像之非線性函數形式，如此便使得光阻影像在光源最佳化與光源光罩最佳化的使用受限，因此在第五章提出了一個利用結合兩個評估等高曲線影像優劣之二次價值方程式的方法近似Sigmoid函數轉換所模擬之光阻影像價值方程式進而可達到快速收斂之目的，此外本章使用了共軛方向梯度演算法使得疊帶次數在少於光源變數個數的情況下即可收斂，其結果與利用Sigmoid函數所得之最佳化光源極為相似，而使用本論文所提之方法可提升100倍以上的速度且改善了部分光罩圖形的製程窗口(Process Window)。 此外由於近來自由型式光源的問世，除了圖形解析度更進一步被提升外亦降低了光罩的複雜性進而減少了製程失敗的風險，因此接續第五章的研究，第六章提出了利用事先所儲存之不同光罩圖形結構的最佳化光源進行線性疊加以求得整體最佳化之光源的辦法，文中證明了用於線性疊加之光源所需係數可由Hopkins公式以及二次方程求得其解析解，相較於使用最佳調整的環形光源所修正之光罩，利用本文提出之方法所合成的光源搭配以模型為主的OPC修正可改善40%以上的邊緣配置誤差、提升50%以上的聚焦深度以及80%以上的製程窗口面積。

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利用新穎材料提升氮化鎵太陽能電池的效率

在本論文中，我們針對氮化鎵太陽能電池的反射率高於20%而導致效率不佳的問題來做一個改良，另一部份是針對氮化鎵太陽能電池短波段的入射光被表面的透明導電層所吸收而導致短波段光都浪費掉的問題來做一個改善，主要是針對這兩個問題而改進進而提升我們氮化鎵太陽能電池的效率。 本論文第一部分是在討論如何改善反射率高的問題，很多文獻顯示，我們如果在表面製作奈米結構可以達到降低反射率的效果。所以我們製作具有奈米結構的PDMS模，這種模製程可以大面積而且便宜方便，不需要像其他做奈米結構要在真空下面進行，而且我們發現這樣製作出來的PDMS模具有很好的抗反射的效果，而且不只這樣，這種模也具有讓光散射的效果，讓光在電池裡行徑路徑比較長，有利增加我們效率。之後，我們將此種具有降低反射效果的PDMS模應用在我們氮化鎵太陽能電池上，並針對元件之反射率、外部量子效應、光電轉換效率等來進行分析，並以變角度反射率量測來證明次波長結構在變角度下仍然有不錯的抗反射效果，因此我們觀察到全波段量子效率的提升，將此具有PDMS模的電池相較於沒有PDMS模的電池，提高了7.2%光電流增加與光電轉換效率7.1%的增強，有效驗證了PDMS模對於氮化鎵太陽能電池光電轉換效率之提昇是有幫助的。 本論文第二部分是在針對氮化鎵太陽能電池短波段的入射光被表面的透明導電層所吸收而導致短波段光都浪費掉的問題來做一個改善。因為短波長紫外光區域具有全太陽頻譜7%，如果我們可以好好利用這些光會對我們效率有很大的幫助。 所以我用了量子點(quantum dot)，我們選用400nm 的CdS 量子點，這種量子點會吸收在400以前的光進而再放射出400nm左右的可見光，可以被我們氮化鎵太陽能電池所吸收利用，我們是在做好的元件上面點上我們的量子點讓它在表面是一層膜，他就可以在ITO吸收短波長之前吸收我們的短波長的光，而放射出ITO吸不到的波段給我們電池使用，這樣就不會有之前提到的浪費的能量。之後我們將有點量子點的電池相較於沒有量子點的，提高了6.3%光電流增加與光電轉換效率7.2%的增強，有效驗證了量子點對於氮化鎵太陽能電池光電轉換效率之提昇是有幫助的。

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透明非晶態氧化鋅錫搭配無銦電極之薄膜電晶體

由於銦價不斷的上漲，氧化薄膜電晶體中無銦的材料逐漸受到重視。本文著墨於無銦的非晶態氧化鋅錫薄膜電晶體的薄膜特性、光學特性、電性特性、穩定度以及抗蝕刻特性的研究，同時也與氧化銦鎵鋅薄膜電晶體做比較與討論。為了實現整個元件都無銦，在透明電極材料上使用氧化鋁鋅做為源極與漏極搭配氧化鋅錫薄膜電晶體的特性也做了完整的研究與比較。 實驗結果顯示氧化鋅錫電晶體因為有低的有效電子質量與較高的載子濃度，所以有較高的載子移動率，且在穩定度上因為氧化鋅錫有較大的電負度，所以在正偏壓應力與高溫下有較高的穩定性。而抗刻蝕刻力的結果顯示氧化鋅錫的抗蝕刻性是氧化銦鎵鋅的8.4倍，這將有利於濕式蝕刻的製程。本研究的結果指出無銦的非晶態氧化鋅錫薄膜電晶體有潛力作為高性能非金態氧化物的薄膜電晶體。

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應用於檢測技術的光源設計

光學量測技術目前被大量使用在科學研究、工業研發、量產製造及消費性產品上。光學量測技術的主要原理，為使用一光源投射在待測樣品上，待測樣品改變投射光源的光學特性，再由偵測器量出被樣品改變後散射或反射光的光學特性。藉由分析入射與出射光學特性改變，可以量測到待測樣品的特性。因此，檢測技術所使用之光源將影響最後檢測結果之訊噪比。 a. 熱光效應光錐濾波器：本論文組合錐形光纖及光學匹配液構成高斯濾波器，並且藉由熱光效應可以調整濾波器的通過頻帶。借由此濾波器可修正OCT的寬頻光源頻譜，並且得到高解析度的生物影像。 b. 超寬頻光源：本論文採用80fs的Ti:sapphire雷射注入錐形光纖中，產生400 nm到1200 nm的超寬頻光源。同時採用數值模擬進行超寬頻光源產生過程的動態模擬，探討注入脈衝初始啾頻如何影響超寬頻光源的產生。 c. 單一縱模雷射光源：單一縱模光纖雷射可被應用於光纖通訊、光纖感測器和光譜分析等領域。在此論文中採用雙共振環路限制縱模模態，由摻鉺波導放大器、兩路不等長共振環路及Fabry-Perot可調濾波器構成單一縱模光纖雷射。並且討論此雷射架構的輸出強度、側模抑制比、波長及輸出強度的穩定度。 d. 高動態範圍疊紋干涉術：本論文將提出一種利用面型感光元件(CCD或CMOS)做單次曝光（one-shot）可得到高動態範圍影像之技術。利用此技術可以得到大範圍且不損失影像細節之高動態影像資料，對此高動態影像進行後續處理，可提高量測之準確度。

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高效能矽披覆層非晶銦鎵鋅氧化物薄膜電晶體

非晶氧化金屬半導體比起傳統的非晶矽半導體而言，由於具有高載子移動率(~10 cm2/Vs)，較低的工作電壓(<5V)，以及其小的次臨界電壓擺幅，近年來被視為深具潛力的半導體材料。其可在低溫(常溫)製程下成膜與高透光的特性，也使得在顯示科技領域上有很好的運用發展性。然而非晶氧化銦鎵鋅薄膜電晶體如果想發展低功率損耗、高頻率操作的電路，則增加其載子移動率，並降低其寄生電容是必要的。 本研究中發現藉由覆蓋層矽的引入會造成載子移動率大幅的提升，推測是a-IGZO主動層中的氧轉移至覆蓋層矽上，使得a-IGZO氧空缺的數目增加，載子濃度大幅提高，導致載子移動率(mobility)變大。因此，我們提出一個加入矽做為覆蓋層的結構來提升元件的特性而不會造成元件效能的折損與漏電，此法可作為一簡單而有效的製程來提升元件效能。另外我們以共濺鍍的方式成長出更高載子移動率的非晶氧化金屬半導體，再搭配上述的覆蓋層矽，並利用改變覆蓋層的覆蓋比例與位置，探討其背後的物理機制。本研究中也試著在不影響電特性的情況下成長保護層，以期能提升元件的穩定度而能實際應用目前的顯示技術上。

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有機無機電晶體應用於氣體感測之研究

在本研究中，我們首先將介紹一個有機垂直通道空間電荷限制電晶體的氣體感測器。透過具備氧化或還原特性的氣體對電晶體的主動層造成電子摻雜或電子解摻雜的效應，進而改變垂直通道中的電位分佈，導致輸出電流密度的改變。藉由對於氨氣具備30 ppb的感測極限，此氣體感測器將可以應用在被非侵入式呼氣監控的定點照護檢驗。 此外，一個無機非晶銦鎵鋅氧化物薄膜電晶體混合式氣體感測器也將被介紹。我們將金屬氧化物半導體覆蓋在電晶體的背通道上面，作為氣體感測層以及第二個閘極。透過接觸具備氧化或還原特性的氣體分子，電荷將會在感測層和氣體分子間傳遞，造成感測層的位能改變，使得第二個閘極的電位改變，導致輸出電流改變。此無機混合式氣體感測器對於氨氣和一氧化氮的感測極限分別為50 ppb和3ppm。 最後，我們將在附錄中介紹提升非晶銦鎵鋅氧化物薄膜電晶體載子遷移率的初步結果。透過使用飛秒雷射照射非晶銦鎵鋅氧化物薄膜表面，我們可以得到一個高載子遷移率(~84 cm2/Vs)的電晶體。其可能原因為，飛秒雷射照射非晶銦鎵鋅氧化物薄膜後，會造成通道導電率的提升，進而使得載子遷移率提升。