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氮化鎵微共振腔發光元件研究

過去幾十年來，由於氮化鎵材料具有直接能隙與强鍵結力等優點，因此吸引許多學界與業界的目光並且廣泛的製作成各種光電元件，如發光二極體、雷射二極體與光偵測器等，並且應用於日常生活中的照明、光儲存、平面顯示及生物科技中。本論文旨在設計並製作具混合式布拉格反射鏡和電流侷限氮化鋁之電激發氮化鎵微型共振腔發光元件。 我們分別利用240nm厚度的ITO製作出在77K和利用30nmsputter所沈積的ITO在300K下，連續波電流操作氮化鎵面射型雷射，並且同時亦有在室溫操作下的使用雙介電材質的布拉格反射鏡之面射型雷射，而這些雷射元件能有如此重大的改善是因為使用了厚度約為50 nm的透明導電層和提昇磊晶材料品質的氮化鎵基板。然而為了要達到這種雙介電材質的面射型雷射需要相當複雜的技術，其中包含了雷射剝離、化學機械式研磨以及基板接合等技術。 製作室溫操作氮化鎵面射型雷射，側向光學侷限以及透明導電層將會是面射型雷射製作的重點。因為目前在氮化鎵面射型雷射當中仍有較高的光學損耗，這會增加元件效能的控制難度。本論文將針對透明導電層，即是氧化銦錫，進行討論，其中包含了氧化銦錫的設計，製作以及特性量測。另外為了得到更好的側向光學侷限效果，我們也製作利用嵌入氧化鋁之微共振腔發光元件，此氧化鋁在此結構當中不僅具有光學侷限效果，同時亦達到電流侷限效果。也因為加入此氧化鋁層，可以將原本微共振腔中光路徑上的透明導電層移除，而同時電流亦能夠有效的均勻注入，也降低了微共振腔中的光損耗。從頻譜量測結果得知，製作嵌入式氧化鋁之微共振腔，具有相當窄的線寬0.52 nm，其發光波長為440 nm，因此換算為共振腔品質因子為846，並且量測到的共振腔模態間距為0.7 nm，這和理論計算數值相同，這些結果都顯示嵌入式氧化鋁的確有側向光學侷限之效果。另外其發光波長幾乎不會隨著波長變化而變化，這將具有應用於溫度感測元件上的潛力。未來若能再進而改善底部布拉格反射鏡的磊晶品質將能實現低閥值操作電流的氮化鎵面射型雷射以及氮化鎵極化子雷射。

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原子層沉積法成長單晶氧化鋅薄膜之光學與晶體結構特性研究

我們成功地利用原子層沉積法成長纖維鋅礦結構單晶氧化鋅薄膜於c-plane與m-plane藍寶石□板，並且利用X-ray繞射與穿遂式電子顯微鏡研究其晶體結構特性。 經過高溫退火處理之後的氧化鋅單晶薄膜，其晶體品質顯示明顯的改進，並發現基面堆疊缺陷(basal stacking fault)為其主要的晶體結構缺陷。我們在c-plane藍寶石□板上成長出單晶氧化鋅薄膜，其磊晶面關係為(0001){10-10}ZnO||(0001){10-10}Al2O3 ；而在m-plane 藍寶石□板上之磊晶面關係為 (10-10)<0001>ZnO||(10-10)<-12-10>Al2O3 。以光激螢光光譜觀察到以3.325 eV為中心的主要發光波段，可能來自於基面堆疊缺陷。由於基面堆疊缺陷的原子結構可視為一層非常薄的閃鋅礦晶體內嵌在纖維鋅礦結構之中，形成的基面堆疊缺陷量子井結構。我們也研究了熱退火處理對單晶氧化鋅薄膜的晶體結構特性和發光特性所造成的影響。另外，我們也透過時間解析光激螢光實驗來測定此基面堆疊缺陷量子井結構的發光機制與近能帶間隙發光的特性。我們觀察到光激載子被基面堆疊缺陷量子井結構局限後，形成量子局限激子。而此量子局限激子更持續地受到由許多局限能態所形成的局限效應所束縛。這些局限能態可能是由隨機分佈的基面堆疊缺陷之間的量子耦合效應所形成；量子耦合效應是由於局限在不同量子井中的電子之間發生波函數交疊的關係，此現象亦形成了局限能態。由於測得的氧化鋅薄膜的低施子濃度以及近能帶能隙發光並無激子遷移的現象，所以我們排除了靠近基面堆疊缺陷的施子以及離子成份濃度擾動這兩個因素形成局限能態的可能性。

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電子槍蒸鍍法成長之氧化銦錫奈米結構及其光伏元件的應用

氧化銦錫材料過去已被大量應用於透明導電薄膜上，利用其透明導電的特性，可應用在太陽能電池或發光二極體上，已經成功提升了這些元件的光電轉換效率。利用可變角度的電子槍蒸鍍系統，我們發展了一種氧化銦錫奈米結構的製作方法，成功製作出奈米柱狀結構，奈米梳狀結構，並分別應用於砷化鎵、矽、有機太陽能電池，提升其元件的轉換效率。 我們探討了氧化銦錫奈米結構的成長機制，其主要由tin-induced self-catalytic vapor-liquid-solid (VLS)及vapor-solid (VS)共存的成長機制所主導的。其成長過程主要包含了凝核形成、柱狀成長、側壁分支的成長。藉由初期的凝核結構的形成，我們可以發現這種材料成長的初期確實有液態的凝核過程。利用利用元素分析法，我們則發現了具有較高濃度的錫分布在奈米柱狀結構的外圍，這層外層能夠幫助奈米結構的軸向成長。因此，在成長的過程中，這外層將可提供吸附氣體分子的作用，也是促使奈米結構成長的關鍵。 而後，我們開始探討氧化銦錫奈米結構的應用。我們斜向蒸鍍具有方向性的氧化銦錫奈米柱於砷化鎵太陽能電池上，此奈米柱提供了寬頻譜的抗反射特性。因此，相較於沒有製作抗反射層的元件，氧化銦錫奈米柱砷化鎵太陽能電池的轉換效率增益達28%。另外，我們也可沉積氧化銦錫奈米梳狀結構在表面粗糙化的矽基太陽能電池上，發展出一種結合奈米、微米尺度的抗反射層。可增加矽基太陽能電池在紅外波段的光學吸收，提升轉換效率。這種複合式抗反層矽基太陽能電池的轉換效率可達17.2%，而作為對照組的傳統矽基太陽能電池則為16.1%。最後，我們結合氧化銦錫奈米柱及薄膜結構，發展出一種三維的奈米結構電極，並應用於有機太陽能電池的製作。此種奈米結構電極可提升有機太陽能電池內的電洞收集效率。因此，這種奈米電極的有機太陽能電池相較於傳統的平板電極，其光電轉換效率及元件壽命分別增加了10%及一倍。我們總結氧化銦錫奈米結構的成長機制及應用，並提出一些可繼續研究的方向。

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銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中關鍵吸收層的濺鍍硒化製程技術優化

銅銦鎵硒是一種具有潛力的薄漠太陽能電池材料。在此論文中針對硒化製程中的附著度，均勻的鎵分佈和緻密的表面做研究。首先論文中提出了一種適合硒化法的成長路徑，經由二元相的討論，提出了三種不同的成長路徑，分別由 Cu2-xSe、 β-In2Se3和 Cu2-xSe及β-In2Se3。經由此研究結果發現由Cu2-xSe及β-In2Se3，所生成的銅銦硒具有附著性佳和緻密的表面，更進一步的提出了三階段的製程。在鎵分佈方面，提出了四階段退火，來解決鎵在銅銦鎵硒中分佈不均的問題。在此研究結果中，先以125OC 預熱，再以350OC、450OC和550OC的退火，具有最佳化的結果，所生成的銅銦鎵硒具有附著性佳、緻密的表面、高強度比值的(220/204)/(112)和較均勻的鎵分佈。

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利用奈米小球技術製作表面粗化以結合抗反射與光捕捉之薄膜太陽能電池

由於近期能源危機及環境污染議題逐漸升溫，綠色能源成為目前最主要的研究議題，尤其以太陽能電池為最。目前各國爭先發展高效率太陽能電池，太陽能產業相關的專利及市場布局競爭激烈。傳統以矽晶圓太陽能電池為主要產品，但由於矽晶圓太陽能電池材料成本昂貴，且製作已趨近成熟，研究及產業已把焦點轉放在薄膜太陽能電池。但由於薄膜太陽能電池較薄，通常為數百奈米的厚度，使一般薄膜型太陽能電池不足以完全吸收在能隙內的光子，因此薄膜太陽能電池的光學吸收已演變成一重要之研究課題。太陽能電池的光學特性研究中，抗反射層(antireflection coatings)與光捕捉(light trapping)為主要課題，過去的研究是把抗反射層放在入光面而把光捕捉結構置放在電池的背面。於本論文中，我們創造出一全新的概念:結合抗反射及光捕捉機制在同一結構上，並將此結構放在入光面上。我們利用膠體奈米球微影術(colloidal lithography)去製作不同的奈米結構，而此奈米結構同時具有抗反射及光捕捉機制。並且，將這樣的奈米結構置放在入光面可以有效增加大角度入射光的入光量，進而提升太陽能電池效率。此研究中，我們利用格耦合波分析(rigorous coupled wave analysis)模擬軟體先去系統化驗證我們的概念。在實驗部分我們製作不同的奈米結構去增加有機太陽能電池及a-Si 太陽能電池效率。過程中，我們架設一台變角度反射率光譜儀來量測這樣的奈米結構的變角度抗反射的效果。我們相信，此論文的研究結果對於太陽能電池研究領域有極大的幫助及影響。