中央大學光電科學研究所學位論文
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本論文主要目的在研究高功率發光二極體之導光元件，探討如何利用導光元件形成高效率與高均勻性之一維線光源或二維面光源，並將之應用於照明系統。我們以中場擬合法來發展LED的精確光學模型，並應用於一維導光元件的研究中，在導光管中，我們設計端面削角來改善目標區域之照度均勻性。此外，我們也研究具有V-cut結構之二維導光機構，以獲得高效率與均勻性之導光元件。
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本論文在研究使用LED當光源的液晶背光模組之輝度管理。首先，我們先瞭解液晶面板及背光模組的性質，接著對所使用的LED光源進行量測與分析，再配合光度學的原理來計算背光模組所需的能量，因此可以決定背光模組所需的光源數目，最後我們經由準確的LED模型來模擬背光模組之均勻性。 藉由液晶背光模組之輝度管理，我們製作了兩台LED背光模組：一台是使用白光LED的28吋液晶電視，另一台是使用RGB LED的42吋液晶電視，並且對於兩台電視的表現來進行探討與分析。
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本論文以多重反射式面鏡的方式搭配不同的高功率白光LED來設計汽機車前燈。設計步驟如下：首先建立光源之光學模型並驗證之；其次運用所建立之光學模型設計車燈光形，目標為符合25m歐規汽機車頭燈之光形。 本論文以兩款不同公司所製造之Lambertian LED來設計機車前燈，由於兩款LED光源本身之幾何架構以及etendue並不相同，因此所設計出來的結果也不一樣，論文中也有其容忍度的分析。 汽車頭燈是以設計出來的機車頭燈模型來做進一步設計，利用光形疊加的方式來達到法規之要求。 在論文中，我們成功的設計出符合25m歐規車輛法規之汽機車頭燈。
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未經鍍膜處理的光學系統，因界面反射的緣故，致最後的穿透光所剩不多，為了克服這種可謂黯淡無光的問題，於是需要抗反射膜（Anti-Reflection Coating）， 經過ARC處理的光學系統，不但可以提高穿透率，同時也大大減少光在元件間連續反射的量，使影像明晰度增加。 本論文以溶膠凝膠法製做具有MFI結構的純二氧化矽沸石溶膠（Silicalite-1），再以旋轉塗佈鍍膜機在光學玻璃基板上鍍製單層膜，由於此膜的多孔結構，可以具有比一般二氧化矽材料還要低的折射率，可以用來製作抗反射膜。 我們改變不同的實驗參數，來製作對應不同中心波長的抗反射膜，並以掃描式電子顯微鏡觀察其表面結構、以接觸角儀測量其親水性程度，並加以分析比較。
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本篇論文是利用平面波展開法、多重散射法以及耦合模態理論，研究由缺陷 態所組成的濾波器結構，目標是能對窄頻的波段做濾波。我們根據耦合模態理論 (coupled-mode theory)分析此元件的特性，發現實際模擬結果與理論的配合不是 很理想，但是理論對穿透率的預測整體趨勢與模擬結果相符。雖然理論預測與實 際模擬的結果有出入，但理論提供了設計時所必須考慮的因素，在定性上仍有價 值。實際可行的結構可根據模擬結果做多次的調整而得到。由於是使用光子晶體 為基本結構設計而成，因此原則上可以積體化。相信以後在積體光學方面會有相 當大的發揮空間。
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自從1998年T. W. Ebbesen等人分別在Natrue以及Physical Review B期刊上發表次波長金屬孔洞陣列的穿透光異常增強現象，並且引起之後廣泛相關的研究。目前次波長金屬孔洞的穿透光異常增強現象被認為是表面傳播電漿、表面局部電漿以及金屬波導模態的響應所造成。在這些機制中，表面局部電漿以及金屬波導模態都倚賴於金屬波導中的邊界條件。然而，到目前為止還缺乏一個適當數學模型來描述這些局部場形。 這篇論文中，我們使用電磁學理論分析了單一金屬狹縫以及金屬光柵。在單一金屬狹縫中，一個類似表面侷限電磁波的數學模型被提出並且稱呼為Surface modes in waveguide (SMW) 理論。這個SMW理論滿足奈米尺度真實金屬狹縫中的邊界條件。經由分析這個金屬狹縫中的電磁場，可以得到金屬狹縫中的傳播常數以及吸收係數。由SMW理論所得的傳撥常數以及吸收係數都使用Finite Difference Time Domain (FDTD) method 模擬得以驗證其高度的準確度。另外，我們使用SMW理論來修正已知的 Semi-analytical model 並且稱呼此修正後的模型為 Modified semi-analytical model (MSAM)。使用此MSAM模型可以用來分析金屬光柵的光學特性，例如異常的光穿透現象等。
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本論文旨在探討微米及奈米尺度結構之光學特性，也就是所謂的微奈米光 學。微光學技術具有將光學系統微型化且降低成本等優點。而奈米光學可利用奈 米結構產生一些微光學技術所不能達到的特殊功能。由於微米及奈米光學的功能 多樣性，使得該技術於應用領域扮演越來越重的腳色，諸如:偵測器，通訊技術， 生物晶片，光儲存等技術。本論文著重於微奈米光學於光學讀取頭之相關應用研 究。本文主要內容可分成兩大部分︰ 在微光學技術部分，我們利用微光學技術， 實際製作了一個微型化的光學讀取頭模組。在奈米光學部份，我們探討奈米孔洞 的光異常增強特性，並探討其於高密度光儲存技術之應用。 在微光學技術方面，吾人利用現有半導體製程技術與微光機電製程技術，製 作一系列矽基堆疊式微光學元件，應用於微型化光學讀取頭，使其簡單化、微小 化及積體化。本光學讀取頭以三光束法與像散法產生聚焦及循軌誤差訊號，其中 包含650nm 雷射二極體、45o矽反射鏡、光柵、全像光學元件與非球面Fresnel lens 等，以自由空間堆疊方式整合各光學元件，以達到將光束聚焦於光碟片上，並產 生接近繞射極限的聚焦點，該聚焦點大小約為3μm。此光學讀取頭模組大小約為 10x10x5mm3，總重量約為1.2g。 在奈米光學方面，本文旨在探討金屬奈米孔洞的光特性。金屬奈米孔洞早再 數十年前以被提出，其近場的光學解析度不受限於繞射極限，其孔徑越小，其空 間解析度越高。但傳統繞射理論預測，孔徑越小，其穿透能量亦越低。 然而，1998年， Ebbesen 等人於nature上發表，平行光照射次波長2維孔洞 陣列金屬薄膜會出現異常的透射增強效應，此效應大大的提高了金屬奈米孔洞的 應用可行性。目前研究認為，奈米孔洞的光增強機制大致有以下幾種: 表面消逝 波、表面電漿子共振耦合以及狹縫、孔洞波導共振耦合等物理機制。狹縫、孔洞 波導共振耦合效應主要受狹縫、孔洞的奈米幾何結構的影響，當其幾何結構滿足 近似法布理佩羅共振條件，此時狹縫穿透率可大幅增加，與古典次波長金屬孔洞 理論相比，可達到數百倍的穿透光增強效果。本文提出了數種方法來增強奈米狹 縫的光穿透效率，以提高奈米孔洞的實際應用可能性。 現今的奈米狹縫光增強結構為:數個週期性溝槽環繞著一奈米狹縫。藉由週 期性的溝槽產生表面波以提高奈米狹縫之穿透效率。然而此類結構會有一部份的 表面波沿著金屬/空氣界面朝狹縫反方向傳遞而無法穿透該狹縫，根據計算延表 面散逸的能量由佔總入射能量的14％，為了回收此散逸的能量，我們利用表面波 反射鏡形成一個表面波的共振腔，將表面波侷限於共振腔內使傳遞散失的波回收 再利用，進而使得穿透效率增強，而表面波反射鏡結構對沿表面傳遞散失能量的 的回收率大約是50％。也就是說，藉由表面波反射鏡結構，我們可提升耐米狹縫 的穿透率1.5倍。 再者，為了得到更高的光能量的利用率，吾人將現今的奈米狹縫光增強結構 加以改良，我們將結構改為V型溝槽結構，如圖所示，使其結構類似一般grating coupler結構，藉以增加光場於平行金屬介面之分量，使光利用率提高，根據時域 有限元素法的計算結果，將奈米孔洞置於V型溝槽金屬結構中，其穿透率比目前 研究的金屬平板結構大6倍以上。
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本論文對氟化鎂、氟化鑭、氟化釓三種材料做蒸鍍角度從20 度 到70 度斜向蒸鍍，量測其柱狀傾斜角、應力以及薄膜對P、S 偏振光 垂直入射於波長193nm 的折射率。柱狀傾斜角以掃瞄式電子顯微鏡 觀察之，應力以相位移式應力量測干涉儀測量，折射率則以橢偏儀量 測，並以Cauchy Law 做擬合。柱狀傾斜角方面發現Tangent rule： tan??E ?tan?的係數E 只有在蒸鍍角度大於50 度才會趨於定值， 不同材料其係數E 不同。隨著蒸鍍角鍍的增大會有壓應力的趨勢。然 而雙折射的特性並不是單純的隨蒸鍍角度增加而遞增，氟化鎂在蒸鍍 角度為70 度時有最大的折射率差異(0.0576)。氟化鑭需在30 度至60 度之間才明顯的折射率差異，其值約在0.03～0.04 之間。而氟化釓在 蒸鍍角度從40 度到50 度之間Ns 與Np 的大小會相反過來。應力方 面會隨著蒸鍍角度有先上升在減小的現象。
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表面電漿子共振（surface plasmon resonance，SPR）生物感測技術於界面環境變化具有高的靈敏度且不需外加任何標記等優勢，目前已廣泛的被應用於生物分子交互作用分析（biomolecular interaction analysis，BIA）研究，傳統SPR生物感測技術的偵測極限已達1 pg/mm2的生物分子表面覆蓋率，不過仍難以直接偵測極微小分子量或極低濃度分子間交互作用。另外，SPR只能提供BIA之動力學資訊，然一完整對生物分子辨識系統除提供動力學分析外，更應具有偵測構形改變之能力。 因此，本論文研究發展奈米電漿子（nanoplasmons）技術來解決上述兩個關鍵問題。分別利用圖樣化金奈米粒子或次波長（subwavelength）結構來操控粒子電漿子（particle plasmons，PPs）或局域表面電漿子（localized surface plasmons，LSPs）以提昇感測靈敏度，控制嵌入金奈米團簇（nanoclusters）於介電質膜層的粒徑與體積分率以強化電漿子生物感測器約有十倍的靈敏度並可實現極微量待測分子（<200 Da）交互作用的直接偵測生物分析程序且不需大分子量的競爭分子或額外標記；研發次波長光柵建構耦合波導表面電漿共振（coupled waveguide-surface plasmon resonance，CWSPR）生物感測器不僅維持感測靈敏度且可改善量測精度，沒有傳統衰逝全反射（attenuated total refelection，ATR）耦合器的限制，其感測系統於蛋白微陣列晶片或影像系統應用上將較為靈活和可行。此外，研發一個建構於Kretschmann組態的CWSPR生物感測器具有同時耦合SPR模態及波導模態的雙CWSPR模態，除了可動態提供高靈敏的動力學分析之外，更具有直接即時地監測蛋白分子構形變化的能力。因此，對於快速診斷，藥物研發與蛋白質體學（proteomics）研究等將可建立嶄新的奈米電漿子之生物分子功能分析平台。
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本論文主要在研究三五族光電半導體光元件及材料，重點可分為（一）具有平面式結構之氮化鎵PIN紫外光偵測器及（二）高效能之太陽能電池材料分析兩部分，其分別概述如下： （一）在平面式氮化鎵PIN紫外光偵測器的部分，首先研究以離子佈植技術將離子植入氮化鎵材料中其電特性與光特性上的變化，再應用適當的離子源、離子濃度與分佈將氮化鎵材料電特性由P型轉變成N型，並在此佈植過程當中定義元件主動區幾何形狀，進而使之形成平面式PIN紫外光偵測器。 在本實驗中為了減少元件製程複雜度，利用了離子佈植的方式簡化元件製程，並期望保有如同傳統磊晶方式成長與製作之元件的光電特性。實驗過程中並與傳統方式製作的磊晶型PIN紫外光偵測器作一比較，研究平面型PIN紫外光偵測器在崩潰電壓和光響應度等特性上的不同與改變，並希望在吸收頻譜上得到與磊晶型元件相同或更為陡峭之光吸收截止曲線。 此外，由於為了達到高頻操作的目的，元件空乏區必須儘可能的縮小以減少載子遷移的距離與時間；但在另一方面，為了增加量子效率，空乏區必須有足夠的厚度以使大量的入射光得以被吸收，因此在響應速度與量子效率之間必須有所取捨，並尋找最佳的平衡點。 而在量測光響應度與響應頻譜之外，同時也要考慮元件雜訊對於信號擷取與辨析的能力，在這裡頻譜分析儀被利用來量測元件信號的大小，藉由量測元件之暫態響應時間，量子效率和穿隧電流等特性，了解並改善平面式PIN光檢測器之結構與設計，如此將利於元件與其他電路系統之整合，不但大幅降低元件製作成本，並可有效提升元件的特性。 （二）在高效能太陽能電池材料開發的部分，MOCVD（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，有機金屬化學氣相磊晶法）被利用來成長高品質之氮化鎵、氮化銦鎵、氮化銦與二氧化鈦等薄膜。藉由分析材料薄膜與材料界面對於太陽電池光電轉換效率之影響，成長出高吸收特性的氮化銦與二氧化鈦的奈米粒子，再利用薄膜表面的披覆技術成長出高強度與高感光性質的氮化銦薄膜。 氮化銦材料與二氧化鈦奈米粒子的大小，對於太陽光的吸收與光電能轉換之間的關係，也是研究的重點之一。藉由分析氮化鎵、氮化銦鎵、氮化銦與二氧化鈦等薄膜材料之成長條件與特性，可找出最佳磊晶條件，並進一步研究出元件之光電轉換特性與機制。 最後，結合PIN光偵測器與高效能太陽能電池的研究，利用已充分瞭解的半導體材料知識與技術，可進行更深入的光電能互換元件的研究與分析。