中央大學光電科學研究所學位論文
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一般在製作發光二極體時，為了要增加發光二極體之光萃取效率或是調整發光二極體之遠場光形，常見的方式為在P-GaN或透明導電膜上製作微結構，但其方法有電性不佳或結構製作不易之缺點，因此要同時兼顧電性與光性一直是大家努力的目標。 本篇論文最主要的目的是將微結構製作於打線封裝的發光二極體晶片表面，並藉此來改善發光二極體之發光效率、遠場光形修正及電特性不佳的問題。由於並未對發光二極體本身進行各式蝕刻製程，因此經過壓印製程之後順向電壓依舊維持於3.4V，足可證明電特性並未因此而受到影響。但是在出光表現上，因為旋轉玻璃基材(Spin on Glass , SOG)之折射率介於空氣與氮化鎵之間，漸變折射率對於提升晶片的光萃取效率有直接的影響，而壓印所製作的微結構，可有效的提昇晶片的光萃取效率，依據所製作的2D圓柱、金字塔及1D的光柵結構而產生39.1%、35.3%及19.8%的光強度提升。在遠場光型調制方面，光形也從原本的朗柏遜分佈變成非對稱的遠場光形分佈，配合後端的光學設計，可使發光二極體應用更加多樣化。除此之外，SOG經過高溫處理之後，特性近似二氧化矽，具備化學及物理的穩定性，可提供發光二極體晶片一定程度的封裝保護。經本論文討探後，利用壓印方式所製作之發光二極體對於兼顧電性與光性是可以達成的。
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隨著電腦的運算速度高達數GHz以上，傳統利用銅線傳遞電訊號的頻寬將不敷使用，利用光作為高速傳遞媒介之光連結技術將大幅取代IT產品中之各種訊號的連結。使用矽基材作為光連結技術的平台將享有可微型化、散熱佳等優勢，且可套用標準半導體製程技術達到元件的高精度定義、與可批次量產等特性。 本論文具體實現一個矽基微光學平台之光學連結技術，利用自由空間的光學傳遞，它可以作為板對板、或USB 3.0之光學連結技術的一個應用平台。在架構上，這個矽基微光學平台之光學連結收發模組包含有：單石積體化之45°微反射面、置放光纖陣列之V型凹槽、具2.5 GHz之高頻傳輸線與錫金焊料等，並可經由適當之光學對位鍵將面射型雷射與光偵測器封裝鍵結至微光學平台上。而矽基光學平台已完成2.5 GHz/channel的傳輸速度。 而經由設計的矽基微光學平台之45∘微反射面將具有110 ?m，而實驗製程之誤差可控制在6%的等級。經由光學追跡模擬的結果顯示，發射端的耦光效率為-6 dB，接收端的響應度為-2 dB。
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傳統光學透鏡的解析度會受到繞射極限的影響，使得近場光源無法在遠場處成像。本論文所探討的雙曲透鏡，則是要讓近場光源可在遠場處成像並有更好的解析度。根據等效介質的觀念，可利用週期性排列的金屬與介電質來實現雙曲透鏡的模型。在數值模擬時，運用傳遞矩陣的方式來做計算，可以完整的算出每一介質中的散射係數，而得到各處的場值。我們藉由改變不同的模型條件，探討其對雙曲透鏡的特性之影響，以找出最好的解析度。相信在未來，可以利用這篇論文中的方法，找到更適當的實際物質，以實現具有更佳解析度的雙曲透鏡。
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本篇論文利用輻射理論及非序列光線追跡軟體來進行光學編碼器的光學特性分析。藉由輻射理論建立數學模組來進行數值積分求取解析解，在與光線追跡軟體的結果做比對。再由實驗來證實數學模組數值積分解與光線追跡結果的正確性。利用RMSE分析法計算出實驗結果與數值積分解的RMSE為0.00168, 証實我們利用輻射理論建立之數學模組的精確性。我們也作了光學編碼器之敏感度分析，我們發現編碼條紋的寬度p是最敏感的，而轉盤與光罩間的距離d的影響次之。 最後，本論文亦提出一種新的決定定址的編碼方法，這種方法可以適用於任何一種個光學編碼器。
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以氮化鎵為基礎之發光二極體(GaN-based LED)的晶粒製程技術主要分為傳統的打線(Wire-Bonding)封裝製程、覆晶(Flip-Chip)製程以及thin-GaN製程等技術，由於藍寶石(Sapphire)基板之高熱阻使得傳統打線、覆晶製程不適用於高功率操作之LED。本論文主要研究thin-GaN製程，以晶圓鍵合(Wafer Bonding)技術與雷射剝離(Laser Lift-Off)技術，將氮化鎵薄膜封裝於導熱效果較佳之矽(Si)基板上。 在製作thin-GaN LED中，發現鈍化層(Passivation)完整性與緻密性會對LED之逆偏漏電流(Reverse Leakage Current)造成影響，而電漿損害(Plasma Damage)以及高串聯電阻(Series Resistance)也會破壞LED之順向偏壓(Forward Voltage)。針對改善thin-GaN LED之逆偏漏電流，我們利用高緻密性之二氧化矽(SiO2)做為鈍化層，成功將thin-GaN LED在-5V逆向偏壓之漏電流降至-0.15?A；在改善thin-GaN LED之順向偏壓，製作Ni薄膜避免電漿損害，以及移除未摻雜氮化鎵(u-GaN Removal)薄膜降低串聯電阻，有效下降thin-GaN LED之順向偏壓。 在我們製作之thin-GaN LED中，順向偏壓最佳約為3.6V，相較於文獻有改善空間；而本研究使用晶圓鍵合與雷射剝離技術，對thin-GaN LED建立製程平台，並改善thin-GaN LED之電特性表現。
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二氧化鈦在太陽能電池、消毒殺菌、分解污染物、表面自潔等方面皆有廣泛應用，但其使用波長侷限在紫外光。在親水性實驗中，本實驗使用解離電壓40V之離子助鍍得到比沒有離子助鍍有效的二氧化鈦光觸媒，接觸角在照射紫外光五分鐘後達到十度以下。並在氮氣離子助鍍的實驗中，為了研究氮氣在二氧化鈦膜中之鍵結，我們以XPS量測N訊號，並且測到396eV之氮氣鍵結訊號;並以可見光照射光觸媒，照射一個小時後，接觸角降至20度，並在兩個小時後下降到10度以下。
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在本論文中我們討論如何利用介質參數為空間上特別設計的函數的特殊介質，來做為電磁波、壓力波、與純剪波的隱形斗篷。首先推導證明出三種波動在二維系統中的數學公式均可互相對應，顯示此三種波動的特性可以被統一處理。此外，再用數值模擬的方法研究其個別結果，並進而提出改良的方法來提升隱形效果。由於自然界中並無法找到介質函數如此特別的介質，因此我們也探討利用多層均勻介質經過特殊排列的層狀結構，來在長波極限下等效原本介質參數為空間連續函數的特殊連續介質。除了二維系統之外，本論文也對三維壓力波隱形斗篷的特性進行了初步的研究。此論文對隱形斗蓬之物理特性的分析與數值模擬為隱形斗蓬的具體實現提供了理論基礎。
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波導振幅調制器為光通訊、波導雷射中具有重要應用價值的元件。本研 究是在z 切面( z-cut )鈮酸鋰( LiNbO3 )基板上製作退火式質子交換波導 ( Annealed Proton Exchange waveguide，簡稱APE 波導 )，利用APE 波導只 能傳播TM 模態的傳播特性，再利用週期性極化反轉鈮酸鋰( PPLN )的準相 位匹配技術作電光調制，將波導TM 模態的能量偶合至APE 波導無法傳播 的TE 波，形成TE 波的能量損耗，使得TM 模態無法獲得TE 波的能量回饋， 因此可以在APE 波導上達到TM 模態的振幅調制功能。 本研究的工作波長設計在通訊波段( 1550nm )，波導寬度設計為12μm， 深度4.07μm，週期性極化反轉結構則是利用索爾克( Solc filter )濾波器[6]的 半波板概念並設計三種週期作比較，分別是23.7μm、24μm、24.3μm。當 外加工作電壓250V，TM 模態可以達到帶寬80nm，大於50%的能量損耗， 而在能量轉換效率最好的波長更可得到大於70%以上的能量損耗。 在經過模擬分析之後，我們可以估計TE 波在傳播的損耗約在0.07dB/ μm ~ 0.09dB/μm，而製程上週期設計的可容忍誤差更可以達到2μm。
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本文使用溶膠-凝膠法在鹼性環境下形成奈米級的小球有成本低且容易大量製造的優點。並將小球以Dip-Coating的方式單層鋪排在玻璃基板上，再利用物理氣相沈積法(PVD)的方式製鍍薄膜太陽能電池的吸收層，相較於目前業界所使用的化學氣相沈積法(CVD)來說，有設備成本低吸無毒的優點。故本文採用射頻磁控濺鍍系統來鍍製薄膜太陽能電池之吸收層。 目前有許多種方式來增加薄膜太陽能電池對太陽光譜的吸收效率，其中texture為一個重要且熱門的研究主題。本文以奈米級的小球作為新式的texture結構並應用在太陽能電池中的吸收層上。借由探討小球的形狀讓光在吸收層中路徑變長使得吸收機率變高進而增加入射光的吸收，由實驗証實在使用小球後比起同製程下無小球結構的矽薄膜在波長550nm~700nm吸收增加的效果特別顯著。其中250nm的矽薄膜搭配250nm的球可以在長波長有6.2倍的增加。 本文中利用觀察SEM的結果來推測矽薄膜的成膜的機制。再利用FDTD軟體建立一個模擬來驗證實驗量測得到的數值。證實使用奈米球的確可以幫助太陽能電池的吸收層得到更多的光，增加吸收量。因此可以在有小球結構下可以讓我們的吸收層厚度變低讓制程時間變短，所須要的厚度變低進而達到成本降低的目的。
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本研究目標要發展一系列光學檢測微流道系統(series of optical biosensor in micro-fluidic system) 置入具有微型化、表面奈微級結構的光學元件作為一基因快速檢測平台：GMR(guided-mode resonance)，本元件利用半導體技術，製作一次波長光柵結構，並利用其產生的窄帶高反射率之效果，及其光柵表面區域之高敏感度，應用於共種生化反應，並設計一系列表面改質於晶片表面，使生物分子以共價鍵鍵結固定於晶片表面,並成功的以此光學即時量測系統即時監測整個反應過程，觀測是否有雜交反應。本光學式檢測系統具有以下優點：免標定(label free)、微型化(mini size)、可高通量(high through put)、易與其它半導體元件接合、高訊雜比(high quality)、高穩定性、即時偵測(real time)之優點。