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利用自組性模板製備作為太陽能電池用之寬頻廣角光擷取的奈米結構

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管型波導化之兆赫波元件

兆赫波科技已經被證實在高速通訊、生醫造影、分子偵測、材料性質分析、反恐技術、以及天文遙測方面都有極高的應用潛力。為了使兆赫波能更廣泛地被應用，各類型的兆赫波光纖以及波導在過去十年之間被廣泛地研究。而我們也在兩年前提出一種低損耗的圓管型波導作為傳遞兆赫波之用。利用市售的鐵弗龍管，我們成功地使損耗係數低於0.001 cm-1。 為了建造輕巧簡便的兆赫波系統，我們在此論文中提出了數種管型波導化的兆赫波元件。首先，我們研究圓管型波導的彎曲損耗特性，發現圓管型波導擁有極佳的彈性、以及出乎預期地低的彎曲損耗。而為了建構兆赫波偏振控制器以及方向耦合器，我們進一步地提出正方形以及長方形的管型波導。我們發現長方管型波導除了擁有極低的損耗係數外 (約0.002 cm-1)，也具備了區分兆赫波偏振的能力。 除此之外，我們利用兩個正方管型波導建立出漏模特性(leaky mode)的兆赫波方向耦合器。此方向耦合器對於兆赫波的偏振極為敏感，我們利用管型波導的抗共振反射式的傳導機制，使得此方向耦合器在最低損耗的波長區段能最有效率地耦合兆赫波。最後，我們提出了一個簡單的波導耦合器作為結合圓管型以及正方或是長方管型波導之用。利用開口對開口的耦合方式 ，我們能高效率地(趨近100%)耦合正方、長方以及圓管型波導。 我們相信這些低損耗、對偏振敏感、以及波導化的兆赫波元件對於未來兆赫波的發展都極具幫助。

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半導體介面模擬及直通矽晶穿孔技術之應力分析

半導體科技在製程微縮以提高元件性能及密度，傳統的二氧化矽層逐漸面臨漏電流增加的影響，為了使物理厚度增加以阻絕漏電流，業界改採用高介電常數閘極氧化層。當高介電常數閘極氧化層應用於半導體元件，由於其與二氧化矽介面不穩定，臨限電壓變得不容易控制，足以影響元件的特性。在本論文中我們利用第一原理計算的方法模擬當高介電常數氧化層與二氧化矽介面參入特定原子造成對臨限電壓的影響，並利用原子層沉積技術製作高介電常數氧化層電容元件以驗證模擬的結果。在二氧化矽(SiO2)與二氧化鉿(HfO2)中參入了鋁(Al)則臨限電壓往正的方向移動，而參入鑭(La)則臨限電壓往負移動。其造成臨限電壓移動的原因與參入原子之功函數有關，而與價數關係不大。 研究矽、鍺晶圓及其氧化層介面特性譬如氧化層的介面缺陷、固定電荷…等，我們通常使用電性量測的方法，如電荷泵(charge pump)。本論文中，我們使用了第一原理計算的方法解釋在介面上的缺陷對電性造成的影響。我們建立了多種超晶格結構，並分析介面上矽、鍺缺陷產生的懸鍵(dangling bond)對其能量在能帶圖中的位置。在矽與二氧化矽結構中，我們分析矽的懸鍵位能分別靠近價帶與傳導帶，在介面缺陷中分別扮演著給體(donor-like)、受體(acceptor-like)的角色。在鍺與其氧化層中也可看到不同懸鍵能量的分布位置，氧化數為零的鍺元素，其懸鍵的能量接近價帶，而氧化數越高，懸鍵能量則越接近傳導帶，理論上可解釋不同介面品質影響電荷捕捉之特性。 當半導體製程微縮技術面臨挑戰，新的結構或封裝方式成為了解決之道，3DIC便是未來可能的趨勢。3DIC是將不同晶片直接以矽晶穿孔技術連接起來，使得在相同面積下有多層的結構之概念。我們利用解析解求得矽晶穿孔填入銅後因熱應變所產生的效應，並與有限元素分析法相互比較。當相鄰的兩個矽晶穿孔受到熱應力，中間的平行方向會產生拉伸應變，而垂直方向會產生壓縮應變。而兩個矽晶穿孔的應力分析則會隨著彼此間距離漸小而與解析解有所差異，當距離過小解析解會大於有限元素分析的應變量。最後，我們做了立體結構的有限元素法計算，發現在表面所受到的應變比解析解來的高。因此我們訂定了表面修正參數以修正解析解。此表面修正參數與有限元素分析中矽基板的厚度無關，所以可以適用到任何厚度之矽晶穿孔通道。此應力模擬可做為未來3DIC設計參考，在受到拉伸應變的區域置入n-FET，或是利用此應力特性使得p-FET及n-FET取得更好的平衡。

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氮化鋁鎵/氮化鎵金屬氧化物半導體高電子遷移率場效電晶體之研究

本論文主要討論兩大部分，第一為使用晶格面蝕刻法與光致電化學氧化法在氮化鋁鎵/氮化鎵結構上成長氧化鎵氧化膜，第二為氮化鋁鎵/氮化鎵金氧半高電子遷移率場效電晶體元件之製作與研究。 使用晶格面蝕刻法在氮化鋁鎵/氮化鎵上製作平滑側壁並使用光致電化學氧化法成長氧化鎵氧化膜，利用SEM與AFM量測結果，觀察與討論氧化鎵氧化膜之品質。 另外，本研究參考傳統歐姆接觸製程，設計元件的歐姆接觸，並利用傳輸線模型(Transmission line model，TLM)，濺鍍金屬鈦/鋁/鈦/金(15 nm/100 nm/60 nm/200 nm)，在825度60秒的熱退火條件下，製作出2.1627*10-6Ω-cm2的歐姆接觸特徵電阻值，並改良電晶體元件結構為奈米線之高台；再應用光致電化學氧化法，即在氮化鋁鎵/氮化鎵表面生成氧化物，藉此得到自我鈍化的作用。當閘極偏壓為2V，閘極長度為2μm時，我們調變汲極與源極間距為8μm、6μm及4μm，進行直流飽和電流、轉導增益以及高頻特性分析。實驗結果發現，縮短間距不但可提升直流特性，並可增加截止頻率由原來的27.8GHz提升至28.6GHz。此外，本研究濺鍍二氧化矽保護層使漏電流從10-4A減少到10-10A，並將汲極與源極間距縮為2μm，使截止頻率提高至30GHz，最後，本研究對其電流崩塌效應做討論。

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奈秒級光學參量振盪器應用於白光雷射產生器之研究

本論利用準相位匹配理論進行非線性光學中頻率轉換之研究，我們在0.75mm厚的鉭酸鋰(Lithium tantalite, LiTaO3, LT)基板，利用高電壓極化反轉的技術，製作出準相位匹配非線性轉換週期性極化反轉鉭酸鋰 (PPLT)非線性轉換光參晶體，置入光參振盪器中，產生高效綠的白光雷射，筆者先對共振腔模態進行優化，再來分別先對藍光與紅光結構進行量測。 筆者以532nm作為綠光泵浦源採用級聯光參-倍頻架構。，首先利用光參結構產生930nm的紅外光後，利用其波長可調頻寬增益的特性，將它級聯多週期倍頻結構後，換成465nm的藍光晶體，製作出一波長頻寬為1.38nm斜線效率達20%的寬頻藍光晶體。紅光部分使用光參結構，轉換出630nm的紅光，經過量測後，製作出一斜線效率為50%的高效率紅光晶體。 利用上述的經驗，將紅藍光製作在同一基板上，于500mW泵浦綠光入射下，藍光輸出約41.69mW、紅光為59.69mW，總共可產生生約150mW的白光，其色度座標為(0.313,0.334,0.353)、色溫為6332K、整體效率達30%，而藍光與紅光的波長頻寬分別為1.38nm與1.91nm，可以大幅抑制雷射投影所面臨的光斑現象

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寬頻抗反射表面結構於光電半導體元件之研製

本研究論文主要探討使用自組小球顯影技術，利用旋轉塗佈法，於基板表面鋪設單層週期性的小球結構。透過二維嚴格耦合波模擬設計，我們在不同基板表面鋪設單層100nm的二氧化矽小球，在400nm ~700nm的可見光波段中，量測到穿透率皆有提升之效果。即便入射光於60度斜向入射基板下，鋪設單層小球之基板穿透率仍可提升10%以上，展現抗反射表面週期性奈米結構具寬頻，大角度之優勢。本方法並實際鋪設於大面積基板表面，驗證低成本，高產出之量產優勢。 此外，我們也以自組小球顯影技術，利用小球作為蝕刻遮罩，結合乾式蝕刻與濕式蝕刻，製作出抗反射表面結構於半導體基板表面。我們並利用此抗反射半導體基板具高穿透率，以及半導體基板表面奈米結構之電場呈現空間梯度變化之特性，結合液晶分子研製出消雷射光斑元件。我們更進一步利用弦波偏壓驅動液晶分子，來量測元件去光斑之效果，由原本62.5%下降至24.3%，降低雷射光斑對比值，以達到降低雷射光斑之目的。

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以光致電化學蝕刻技術製作氮化物發光元件

在本論文中，我們驗證利用光致電化學蝕刻技術製作高品質之氮化物發光元件。我們首先製作一系列的氮化鎵材料之光子晶體薄膜結構，包含完美光子晶體及三種典型的光子晶體缺陷結構(H1, L3, H2)。光子晶體之形成為在氮化鎵磊晶層中製作不等邊三角形排列之圓形孔洞，薄膜結構則是利用能隙選擇性之光致電化學蝕刻技術所製作。然後，我們在室溫下利用光激發的方式研究這些光子晶體結構之光激發共振輻射模態特徵。其中，我們發現所有的光子晶體缺陷結構之光激發雷射的波長都非常靠近完美光子晶體結構之光激發雷射的波長。雖然這些光激發雷射擁有不同的光激發臨界能量，不同的頻譜寬度，不同的共振腔品質因子及不同的偏振程度，但是其偏振方向幾乎一致。其相似的雷射特徵可能由於製作缺陷結構後所產生極窄的部份能隙所導致。此外，雷射的偏振方向是由於光子晶體之不等邊三角形排列所致。其中一個光子晶體缺陷結構(H2)之光激發雷射的激發臨界值為0.82 mJ/cm2，共振腔之品質因子為1743，偏振程度為25.4，其雷射特性優於其他發表過的類似結構。 此外，我們利用光致電化學蝕刻配合相位式干涉技術，在氮化物發光二極體之平台周圍製作表面光柵結構，有效提升光汲取效率。表面光柵結構之形成乃是由光致電化學蝕刻在空間上不同之蝕刻速率之分布所造成。而光致電化學蝕刻速率乃是將所使用的雷射光穿透相位式光罩，雷射經干涉後在樣品表面形成之光強度分布所控制。此蝕刻技術並未影響發光元件之電特性表現，然而發光二極體卻由於表面光柵結構所產生的繞射效應提升高於43%的光輸出。 另外，我們還利用光致電化學蝕刻技術將側向磊晶接合方式所成長的氮化物發光二極體結構成功地從藍寶石基板剝離並製作成垂直型發光二極體。而這種藍寶石剝離技術仰賴側向磊晶接合成長時在二氧化矽條狀結構上方所形成的孔洞，可使光致電化學之蝕刻溶液得以接觸在二氧化矽結構上方之氮化鎵，而藍寶石上之氮化鎵預長層也需夠薄以使照射的光源能被二氧化矽結構上方之氮化鎵所吸收。剝離機制為光致電化學蝕刻由二氧化矽結構上方非常薄之氮化鎵層開始，之後往側向磊晶接合成長之開窗區域擴展，最後得以完全將氮化鎵磊晶層及藍寶石基板分離。我們並展示以此方式所製作之垂直型發光二極體之特性。

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表面電漿極化子與同調聲學聲子之近場交互作用

近來金屬格柵的異常穿透行為受到了很高的重視，由於異常穿透光的行為對周遭環境的改變非常敏感，因此最近廣泛的應用到生物、化學感測器，且重要性與日俱增。此行為通常由表面電漿極化子以及金屬狹縫中的光場共振所貢獻。表面電漿極化子會在金屬/空氣介面，以及金屬/基板介面被激發，利用近場顯微鏡可以觀察到金屬/空氣介面的表面電漿極化子，但是卻無法觀察到金屬以下的表面電漿極化子。因此本實驗利用了超快頻譜技術由基板底部來產生同調聲子，利用同調聲子來影響金屬格柵基板的折射率，並使用近場顯微鏡來觀察穿透光的變化，進而了解同調聲子如何與表面電漿極化子產生交互作用。 在我們的實驗條件下可在金與空氣及金與砷化鎵基板間介面產生表面電漿極化子。藉由從基板底部激發同調生子，並取得聲子在不同位置時之近場穿透光影像，來觀察此影像變化。可得知當同調聲子進入金下方表面電漿的區域時，聲子開始影響此區域的折射率，使得能量開始由表面電漿區域轉換到金屬狹縫的光場共振膜態。因此穿透光的變化主要集中在狹縫區。此能量轉換可在聲子到達金與砷化鎵基板介面時達到最大值。當聲子到達金及空氣介面時，由於空氣與金屬的音波阻抗差異過大，聲子無法傳遞到空氣中，故在此介面音波會被反彈，反彈的音波造成的應變跟原本的音波相反。因此在穿透光變化的行為上，會造成與原本的音波相反的結果。 由我們的實驗可以看到聲子與表面電漿極化子之近場交互作用之過程，並且得知此交互作用在遠場下的訊號變化與光場在金屬狹縫間的共振互相耦合有關。由於表面電漿對於折射率的改變非常敏感，未來在奈米聲波的影像應用上有很大的潛力，藉由了解此現象未來我們可以設計其他的表面電漿產生結構(例如金屬孔洞排列結構)，將現在的一維金屬格柵延伸至二維空間中，成為音波偵測的陣列。

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準相位匹配鉭酸鋰高效率寬頻藍光雷射晶片之研製

本篇論文主要由三大部分構成：準相位匹配與光參振盪器原理的介紹、光參-倍頻藍光雷射晶片之研製，以及光參-倍頻藍光雷射晶片之光學量測與特性分析。 理論部分，首先闡述非線性頻率轉換與準相位匹配理論，接著介紹光參振盪以及倍頻轉換理論。利用鉭酸鋰晶體在不同操作條件下配合理論去計算，滿足準相位匹配所需之週期大小。利用本實驗室發展的鎳金屬內擴散配合高壓電致極化反轉製程技術，應用於厚度0.75mm之共熔鉭酸鋰基片製作。實驗中設計光參-倍頻藍光雷射晶片，在倍頻部分做了三週期與五週期的設計，光參部份的週期為7.7576um，而倍頻部份的兩種設計分別為4.9514um、4.9865um、5.0218um，以及4.9514um、4.9689um、4.9865um、5.0041um、5.0281um，並成功研製出長13mm的高效率寬頻藍光雷射晶片。 光學量測部分，利用奈秒(~5ns)532nm綠光雷射做為泵浦源，設計一共振腔可共振930nm將所研製完成之雷射晶片置入，測量此光參振盪器之出光轉換效率。我們成功以350mW綠光泵浦搭配準相位匹配級聯狀光參-倍頻藍光雷射晶片，以及雷射共焦腔之設計，實現頻寬1.4nm，斜線效率21%之465nm的高效率寬頻藍光雷射，並得到54mW的藍光輸出，且藍光轉換效率達到15.4%。

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無氫臨界溫度電漿增強氣相沉積石墨烯於光調變及鎖模之應用

在本篇論文中，我們以電漿輔助化學氣象沉積在低溫無氫的環境中以及極薄的鎳上合成多層石墨烯，沉積的碳原子一開始被鎳吸收然後在鎳的表面析出形成多層石磨烯。我們製程的溫度大約可以降到475oC，鎳厚度大約可以縮小到30 nm。因為鎳在低溫(475 oC )時的溶解度非常低，所以我們析出之石墨烯的層數不會太多，可以控制在很小的數值。我們用拉曼分析發現，在不同的鎳厚度去合成石墨烯，其中D與2D的強度幾乎保持不變，但是G的強度會隨著鎳厚度增加而增加，換而言之石墨烯的層數也隨之增加，直到鎳的厚度大於50 nm之後，G的強度才停止增加，會造成這個原因主要是因為由PECVD所提供的碳原子有限，所以鎳厚度超過50 nm之後所吸收的碳原子並沒有再增加，所以析出的石墨烯的層數相仿，拉曼圖形也相似。當我們將沉積時間從600縮減到100 s時，多層石墨烯在波長550 nm的光源下之線性穿透率由83%上升至93%，代表層數由八層縮小至三層，而拉曼光譜中的ID/IG值由1.8縮小到0.2，此外G峰之半高寬由67縮小至37.2 cm-1 ，這些證據都一再顯示當我們將石墨烯的沉積時間縮短，其品質會變好。 三種不同的石磨烯光調製元件在本論文中製作，並討論。 其中兩個光調製器是藉由電壓來控制光強度，另外一個是藉由光來控制光強度。第一個是穿透式石墨烯光調製器。在調製深度為20%的情況下，當介電質厚度由200 nm降到10 nm，則驅動電壓可由30 V降到5 V。反射式的石磨烯光調製器的效果沒有穿透式的效果來的好。在介電質的厚度為50 nm時，需要8 V才有5%的調製深度 。這不好的表現來於較厚的介電質以及元件在大電壓較易短路。最後一個光調製器，是石磨烯放在側磨光纖所做成。當輸入功率為500 mW 時， 在雷射功率為85 mW照射下，輸出光功率可提升至525, 519以及516 mW，其中輸入光波長依序為1520, 1550以及1580 nm，對應的調製深度為5, 3.8 以及 3.2 %。調製深度隨著輸入光波長縮短而增加。這是因為在較短的波長下，光有較強的能量可以將石墨烯之載子激發到較高的能階，而石磨烯在較高的能階有較多的空位階所以1520 nm 的雷射可以比1550及1580 nm激發較多的載子，故調製深度較大。 當輸入功率增加到1000 mW時，照射功率一樣維持在85 mW,最大的調製深度可以被達到。調製深度為5.8, 5.1 and 4.6 % 對應之光波長為1520, 1550以及1580 nm。在1550 nm輸入功率為1000 mW下的光調製深度從1.2 提升到 5.1 %，當照射光功率從24 提升到 85 mW。調製深度上升主要是因為當照射之雷射強度上升時，有較多的石墨烯載子可以被激發。當輸入光功率提升到2000 mW時，輸入波長1550 nm 在 85 mW 之照射下，調製深度由5.1下降至3.3 %。 這是因為大部分的能階在輸入功率為1000 mW就已經被填滿,所以當光功率提升至2000 mW 時，功率並不會比1000 mW 有顯著的提升，故調製深度下降。 石墨烯被當作飽和吸收體在穿透式以及反射式的被動鎖模摻鉺光纖雷射系統中。在穿透式的系統中，脈寬由441 提升至 483 fs光譜的半高寬由6 縮小至 4.2 nm當系統的電流由 900 縮小至 200 mA。系統的復現率為 28.57 MHz。在反射式的系統中，脈寬由 796 拓寬為874 fs光譜的半高寬由 3.25縮小至2.2 nm。系統的復現率為16.66 MHz。較小的復現率是因為反射式系統需要額外長度的光纖。 較小的脈寬可由穿透式的系統達成因為在反射式的系統中，大約1.8 dB的損耗是不可避免的。 另外穿透式系統的TBP值在輸入高電流時(800~900 mA)為0.31。這與理想值很靠近。而對於兩個系統的臨界電流為400 mA。當電流小於400 mA時其值縮小的很快，代表系統不穩定。