中央大學光電科學研究所學位論文
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針對濺鍍之光學薄膜，本論文提出一套新的方法，在不影響薄膜的光學特性前提下，消除多層膜的殘留應力。射頻離子束濺鍍殘留應力值高達1.5GPa以上之SiNx薄膜，以離子束電壓1300V、離子束電流110mA所製鍍的單層SiN1.06薄膜，厚度250nm的殘留應力值為-2.18GPa，將此單層等分切割成四層製鍍時，其殘留應力值降為-1.38GPa，定性地驗證介電質薄膜存在著界面應力。 磁控濺鍍SiO2及Nb2O5薄膜於玻璃基板與塑膠PET基板上，薄膜的光學常數存在著差異性：SiO2、Nb2O5於PET上的折射率均分別高於其被製鍍在玻璃基板上的折射率值，而塑膠基板上的薄膜殘留應力會小於玻璃基板的殘留應力，可能是由於有機物受到電漿激發造成斷鍵，因而與薄膜分子產生化合或混合的反應，使殘留應力減小。在多層膜的實驗中，玻璃基板上的SiO2Nb2O5界面為張應力，可以作為消除應力之用，Nb2O5SiO2界面則為壓應力；在PET基板上SiO2Nb2O5和Nb2O5SiO2皆為壓應力。不論何種基板，愈上層的界面，其造成撓曲量都有增加的趨勢。 利用射頻濺鍍SiO2、Ta2O5光學薄膜堆疊高反射鏡，在單層膜的實驗中，發現殘留應力隨著切層數呈倒W形的趨勢，這是由於在切層時，子層可能尚未成膜，因此本徵壓應力會較成膜時大，當界面應力無法抵銷子層的本徵應力時，殘留壓應力會增加，如同等分切割成二層與四層製鍍單層膜之情形；而界面應力的影響若能大過於子層的本徵應力時，殘留壓應力就會減小，如同等分切割成三層與五層製鍍單層膜之情況；兩層HL的切層實驗證明能有效減低應力的切法為(H, 1/3L*3)，因此利用(H, 1/3L*3)切法製鍍11層高反射鏡時，總殘留應力為-0.423GPa，與未切之高反射鏡比較，可減小其應力值約17.6%，且切層方法並未影響材料之光學常數。
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本論文利用光學橢圓儀的量測系統，利用兩種不同的波長光源與基本的P-S-A 架構來量測扭轉向列型液晶TN-LC的二維光學與物理製程參數的影像，藉由液晶樣品單式光學系統的特性結合橢圓雙折射等效性定理，透過穆勒矩陣與瓊斯矩陣的數學運算方法，計算出液晶的橢圓雙折射參數與等效線性雙折射與圓雙折射的光學參數。根據所量測到的光學二維參數再進一步計算出TN-LC的物理製程參數，包含非扭轉相位延遲、液晶導軸扭轉角的二維影像數據。利用最小二乘方的數學優化方法找出液晶樣品的分子預傾角與液晶單元間隙。利用本實驗理論與方法求得的TN-LC 二維影像與樣品的實際理論值獲得非常好的一致性。
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本篇論文我們針對矽酸鹽螢光粉濃度與厚度對於白光LED封裝效率的影響進行研究與分析。首先利用已建構之矽酸鹽螢光粉模型，以藍光雷射激發各種不同濃度與厚度的螢光粉薄片，分析其正向、側向及背向的能量，並以實驗驗證模擬結果，作為後續白光LED封裝效率比較的分析基礎。接著將激發光源改為藍光LED，在螢光粉遠離晶片的實驗架構下，比較不同濃度與厚度螢光粉對封裝效率的影響；此外也利用模擬改變封裝腔體的反射率，進一步分析螢光粉濃度、厚度與白光LED封裝效率之間的對應關係。
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本論文選擇在氮化鎵材料製作二維漸進式週期光子晶體共振腔，使光有效侷限於其中。以平面波展開法(Plane Wave Expansion, PWE) 與有限時域差分法(Finite-Difference-Time-Domain, FDTD)來分析漸進式週期光子晶體共振腔之特性，計算出結構參數，也以光侷限之方法來分析共振腔在垂直方向上的損耗，以及解釋為何高階模態會有較高的Q值。在室溫下架設微光激發光系統(Micro-Photoluminescence,???PL)，量測結果發現，當激發光源功率大於0.9 mW時，成功量得於波長於?=362 nm 之雷射訊號，以高斯擬合得到半高寬為0.04 nm，換算 Q值為1×104。
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本論文的研究主題是以光波導的概念來探討發光二極體(light emitting diode, LED)的光萃取效率，利用有限差分光束傳播法(Finite-Difference Beam Propagation Method, FD-BPM)計算氮化鎵 LED光波導內最強模態的角度，根據此角度設計最佳穿透效率的光柵結構於氮化鎵的表面上，目的使其達到最佳的光萃取效率，研究方法利用(FD-BPM)來計算多重量子井(Multi Quantum Wells, MQWs)的位置與最強模態角度的關係，根據此模擬結果得到最強模態的角度，將此角度運用嚴格耦合波搭配基因演算法做系統性的參數優化，找出最佳穿透效率的光柵結構參數，在發光波長為460 nm，其光柵週期為2.07 ?m、填充因子為0.51、蝕刻深度為0.2 ?m，根據此模擬結果LED的光萃取效率相較於平板結構約可增強36 %，利用FD-BPM可以快速的決定LED表面的粗化程度，並結合嚴格耦合波與基因演算法的優化，達到最佳的光萃取效率。
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本論文研究主要使用有限時域差分法模擬計算在週期性金屬奈米結構下之表面電漿共振效應，並針對奈米球微影技術模擬其相關光學現象，不同的粒子形狀、大小和高度等參數都會對周期性金屬奈米結構所對應的共振現象有所影響。而此相關研究對許多方面的應用都相當有幫助，例如表面增強拉曼散射、單分子偵測技術以及其它像是太陽能電池效率提升等用途。 第一部分我們利用預測的奈米球微影術所形成之週期性奈米點狀陣列結構計算其消光截面積之物理量以了解所對應之表面電漿共振波長。模擬結果顯示，藉由變化奈米點狀陣列結構之材料、厚度、大小等皆會造成共振波長位置的移動，例如結構厚度增加或是基板折射率的減少，都會造成共振波長藍移的現象，而金屬銀相對於金在同樣條件之下，其共振波長位置皆小於金，藉此可做為製程前的事前評估。 第二部分為實際進行實驗，利用奈米球微影技術製作週期性奈米結構基板，並應用於量測表面增強拉曼散射現象之用途。實驗結果顯示，針對濃度為10-3M之R6G分子溶液可完成定性量測，並觀測到其表面增強拉曼散射之現象。
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本論文中，我們將研究不同白光LED封裝型式其封裝效率之差異，利用已建構之YAG螢光粉模型在相同色溫下，分析六種封裝型式在封裝效率上的差異，並討論其封裝效率差異的原因，再探討改變基板反射率與晶片吸收等參數對封裝效率的變化。 接著以實際封裝驗證六種封裝之效率，首先量測得到基板反射率，接著實際進行六種封裝方式，最後分析比較六種封裝其實驗及模擬的差異。
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本論文提出並建立一個二維量測樣本橢圓偏極參數的相移影像式橢圓儀，在相移影像式橢圓儀的光學架設中，我們使用了液晶可調相位延遲器可以達到快速相位延遲調控。 由於液晶可調相位延遲器的相位延遲取決於輸入電壓的調制訊號，所以校正液晶可調相位延遲器相位延遲在相移技術中是很重要的步驟，我們亦提出一個校準的程序，以準確地確定特定相位延遲所對應的輸入電壓值，因此橢圓偏極參數的空間分佈即可經由相移的轉換，並由CCD 照像機擷取光強度分佈影像推算出。 相移影像式橢圓儀量測系統能夠量測均向性與非均向性材料的物理特性，為我們發展之系統的一大特色，本論文提出以下兩個實驗：(1)量測矽基材上之二氧化矽薄膜分佈 (2)量測扭轉向列型液晶盒的扭轉角和單元間隙，分別做為均向性和非均向性材料的實驗驗證。最後實驗結果皆接近參考值，可以證實我們理論的正確性和實驗的量測精確度。
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本論文主要研究氫化物氣相磊晶系統，利用本實驗室自組的水平式氫化物氣相磊晶系統(Hydride Vapor Phase Epitaxie, HVPE)成長氮化鎵厚膜，研究內容主要藉由調整不同的磊晶成長參數：1.使用不同載子氣體，2.改變載子氣體流量，3.改變三五族氣體流量比例，並透過光學顯微鏡(OM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)，以及量測單位面積缺陷數(EPD)等方式，對材料的表面特性及材料品質做分析。 由本論文研究顯示，在全氫氣的環境下以及高五三比例的情況下可以成長出表面形貌平整的氮化鎵厚膜，且利用調整氣體的流量，可優化其膜厚均勻度，成長出膜厚均勻度佳的氮化鎵厚膜，本實驗由一開始較差的膜厚均勻度為91%，利用調整氣體流量後，得到膜厚均勻度為5%之氮化鎵厚膜，大幅改善了使用HVPE成長氮化鎵厚膜之膜厚不均勻的特性。 由於Sapphire基板和氮化鎵材料的熱膨脹係數不同，造成強大的應力(stress)，使得磊晶成長的降溫過程中，氮化鎵厚膜和Sapphire基板產生碎裂(crack)。故利用黃光微影製程技術製作氮化鎵奈米柱，作為磊晶成長氮化鎵厚膜之基板以降低應力，成功成長出厚度大於350μm且不碎裂的氮化鎵厚膜，且表面形貌平整如MOCVD成長之氮化鎵薄膜，單位面積缺陷數也由傳統MOCVD成長之氮化鎵薄膜6.52×108 cm-2降低至2.00×107 cm-2，大約減少了30倍。所以結合氮化鎵奈米柱的製程技術及HVPE磊晶技術，不只提高了氮化鎵厚膜成長於藍寶石基板之最大厚度限制，更大幅提升了氮化鎵材料的品質。 最後將不同厚度的氮化鎵厚膜/Sapphire基板應用於氮化鎵發光二極體元件(LED)，用MOCVD成長氮化鎵發光二極體結構，再利用黃光微影製程技術製作發光二極體元件，量測發光二極體元件之光電特性和熱特性。由於利用HVPE成長之氮化鎵厚膜提升了氮化鎵材料的品質，使得發光二極體元件之光輸出功率增加，另外也利用熱影像量測不同電流驅動下之發光二極體的熱分佈，由於氮化鎵材料之導熱特性佳，當氮化鎵磊晶層越厚時，發光元件的散熱效率比厚度薄時更容易將熱導出，因此改善了高電流注入下光輸出功率下降的結果，一般傳統LED大約在驅動電流設定為400mA時，光輸出功率就會開始下降，而使用125μm之氮化鎵厚膜製作之LED，在電流提升到700mA後，光輸出功率才會開始往下降。由此，使用氮化鎵厚膜/Sapphire基板作為發光二極體之磊晶基板，並製作發光二極體元件，可有效提升輸出的光功率以及改善元件熱效應的產生。
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本論文一開始針對嵌入二氧化矽圖樣化於氮化鎵薄膜，藉由側向磊晶(ELOG)方式成長氮化鎵薄膜可提升晶體品質，藉由XRD ω-rocking curve量測與單位面積缺陷數(EPD)量測氮化鎵薄膜分析結果，得到嵌入週期為SiO2/GaN＝2μm/1μm二氧化矽奈米柱條狀化的半高寬為275 arcsecs、單位面積缺陷數為3.1x108 cm-2，相較於傳統氮化鎵薄膜的半高寬為329 arcsecs、單位面積缺陷數為5.1x108 cm-2，從結果可以說明二氧化矽奈米柱條狀化於氮化鎵薄膜中，確實可以提升氮化鎵薄膜晶格品質。 接著探討嵌入二氧化矽圖樣化於氮化銦鎵太陽能電池元件之比較，其中嵌入週期為SiO2/GaN＝2μm/1μm二氧化矽奈米柱條狀化有最佳光電特性，開路電壓1.78 V、短路電流密度0.52 mA/cm2、填充因子47 %、轉換效率0.44 %，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率提升29 %，因為嵌入二氧化矽奈米柱條狀化結構於氮化銦鎵太陽能電池元件中，不但可以提升氮化鎵薄膜品質而提升開路電壓，而且嵌入不同介質增加光反射，再次到達吸收層吸收，提升短路電流密度，進而提升氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率。 將二氧化矽奈米柱條狀化於氮化銦鎵太陽能電池元件中，再利用二氧化矽鈍化氮化銦鎵太陽能電池元件側壁，元件開路電壓為1.80 V，相較傳統氮化銦鎵太陽能電池開路電壓提升1.1 %；轉換效率0.45 %，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率提升2 %。因為利用二氧化矽包覆元件側壁懸浮鍵增加並聯電阻，減少非輻射復合及元件漏電流產生。 接著探討平台蝕刻深度影響氮化銦鎵太陽能電池元件電性分析，平台蝕刻深度840 nm有最佳光電特性，短路電流密度為0.57 mA/cm2，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池提升提升11.7 %；轉換效率相較於傳統提升15 %。因為改變氮化銦鎵太陽能電池元件經照光產生電子電洞對往負極(n極)移動時所需傳遞的擴散距離，載子在傳輸時，距離越短會減少被材料缺陷捕捉的機率而造成短路電流密度增加，進而提升轉換效率。 最後將二氧化矽奈米柱條狀化結構運用於具二氧化矽側壁鈍化，且平台蝕刻深度為840 nm之氮化銦鎵太陽能電池元件，可得到最理想氮化銦鎵太陽能電池元件光電特性，開路電壓1.90 V、短路電流密度0.57 mA/cm2、填充因子45 %、轉換效率0.48 %，相較於傳統氮化銦鎵太陽能電池元件轉換效率提升41 %。