臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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在本論文中，研究主題可分為兩部分。第一部分為探討利用低溫電漿輔助化學氣相沉積法來成長石墨烯，並深入分析如何選擇各個實驗參數，直到最後能夠成功地成長出品質優良的石墨烯薄膜。而成長出的石墨烯薄膜再利用光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡以及拉曼光譜儀來檢測其品質。接著再將此石墨烯薄膜分別轉印到二氧化矽基板與ODTS基板上，並製作成石墨烯場效電晶體元件，量測其載子遷移率。再與利用商業用石墨烯製作的石墨烯場效電晶體元件做比較，來證明本實驗所成長的石墨烯薄膜可以達到很高的載子遷移率。 第二部分則是利用本實驗成長之石墨烯製作成TLM(Transfer Length Method)元件，來量測其與金屬電極間的接觸電阻，而本實驗中所選用的金屬電極為銀與金。而在得到實驗結果之後，將會利用XPS與UPS來探討石墨烯與金屬之間的交互作用對接觸電阻的影響。接著再將此實驗結果與利用高溫化學氣相沉積法所成長的石墨烯製作的TLM元件做比較，以此證明本實驗成長之石墨烯和銀與金之間具有很小的接觸電阻。最後則是討論低溫製程石墨烯的品質能過超越高溫製程石墨烯的原因，以及其更深入的應用。
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本論文包含兩個部分。首先是以氧化銦鎵鋅薄膜電晶體為基底的生物感測器應用於生物化學反應的偵測，第二部分是偵測蛋白質複合物之間的反應行為。 第一部分所討論的生物化學反應在人體代謝途徑中是很重要的一環。當此反應中的生物分子被金感應板上的連結分子抓住時，會被我們的生物感測器偵測到。藉由量測不同濃度組成的溶液，我們可以得到電流變化及濃度的關係，進而分辨此生物化學反應中完全反應與不完全反應的兩種情況。 蛋白質複合物的反應行為一直以來被廣泛的運用在生物化學的領域中。在第二部分的研究中，我們將以電晶體為基底的生物感測器與外接的微流道系統結合應用於偵測蛋白質複合物的電特性與流體擴散性質。由於濃度梯度的關係待測物溶液會經由微流道流至金感應板而被生物感測器偵測到。我們首先分別量測蛋白質與配體的訊號，得到擴散性質與電流的關係，最後將蛋白質與配體混合並量測其隨時間變化的電流性質，以探究兩者之間的反應行為。此外我們也進行螢光染色的影像拍攝去驗證蛋白質複合物間的結合。
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氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體擁有高能帶及高電子遷移率的材料特性，使其大量應用於高電壓電子元件及高效率電源轉換系統。其異質接面所產生的大量二維電子氣提供元件大電流、低阻抗之元件特性，因而近年來越來越被重視。然而當元件在高速切換下，材料缺陷所造成的漏電流以及電流坍塌現象使得電晶體無法達到所預期之高效率電能轉換。本研究致力於增強型氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體之研發及其動態電特性之分析。 本論文利用電漿輔助化學氣相沉積系統所沉積出的二氧化矽薄膜作為電晶體的鈍化層，藉此探討電流坍塌現象於p型氮化鎵高電子遷移率電晶體的影響與機制。實驗發現擁有二氧化矽鈍化層的電晶體有較優異的電流坍塌抗性。透過量測分析驗證鈍化層的內部缺陷提供額外的電子累積空間，避免電子累積在p型氮化鎵覆蓋層而空乏通道中二維電子氣之載子，有效減緩電流坍塌現象。 為了發展金氧半結構並達到元件特性最佳化，尤其直接影響電流坍塌現象的閘極漏電流，優良的材料介面品質為首要之條件，因此文中分別對於空乏型及增強型高電子遷移率電晶體，提出不同的介面處理包含氟離子電漿處理、氬氣及氮氣電漿轟擊以應用於將來金氧半結構介面品質之提升。 根據先前研究氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體的實驗經驗，我們發展金氧半結構並探討其電性，發現藉由原子層沉積系統所沉積出的氧化鋁能夠成功鈍化p型氮化鎵表面受到電漿轟擊所留下的缺陷，抑制長脈衝下的電流坍塌現象，進一步分析單、雙異質結構對於電性的影響及抑制電流坍塌效應之能力，發展出有效利用於p型氮化鎵金氧半高電子遷移率電晶體轉換效率提升之方法。
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本研究提出一個創新的方法，且經實驗後成功製出固體微型可調變光圈元件，而光圈的透光孔徑可藉由施加不同電壓產生連續調變的效果。 在元件的設計中，分為半球型微透鏡結構與高分子分散型液晶薄膜（Polymer-dispersed liquid crystal, PDLC）兩個主要部分。其中，本研究對於微透鏡結構，提出兩種不同的製作方法，分別為黃光顯影製程中的熱整流法（Thermal reflow process），以及使用微量型注射器（Nanoliter injector）進行微結構的滴定。而元件的調變機制，是透過兩平行基板間因微透鏡結構產生的高度差，在施加相同電壓下會產生不同強度分布的電場值，利用該電場值差異來驅使高分子分散型液晶產生透光率的改變。而由於光圈元件中央的薄膜較薄，因此光圈的開孔變化會由中心向外漸行透光，以達到改變電壓下的連續調變效果。 在光圈孔徑的量測上，本研究使用顯微鏡搭配CCD進行開孔影像的對焦和捕捉，再透過優化後的演算法求得光圈束寬與電壓的對應關係。最後，藉由改變結構高度及液晶薄膜厚度等製程參數，進一步探討元件優化前後的差異。
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在光電元件中，週期性介電質奈米結構具有著傑出的電磁場及光-物質反應的控制能力，而許多研究已深入探討如何利用光子晶體結構，調控發光二極體和雷射元件的光傳播方向以及管理光子模態的時間上的響應。在本論文中，我們將闡述光子晶體發光二極體的操作特性及其應用於可見光通訊的可能性。 在過去，人們藉由理論上的計算及實驗驗證，負折射現象可藉由光注入的被動元件中呈現出來，在此我們利用電致發光元件展示出可見光波段的負折射現象，並在不同的極化方向上造成不同的自準直行為，我們更由平面波展開法模擬，計算出等頻率平面上的群速度等相關資訊，與實驗成果相互驗證。而光子晶體發光二極體中的自發性發光和角度相依的行為，我們利用模態的萃取距離理論及光子能帶的品質因素進行討論，在實驗中，具有500奈米晶格周期的光子晶體元件，展現出低階模態的高粹取效率，以及在垂直方向的自準直輻射場型。 由於近日科技的進步，氮化鎵發光二極體已變成可見光通訊的物理傳輸層中，頗具發展潛力的光傳輸器，但其調變頻寬通常受限於系統前端發光二極體中的多層量子井，其較長的自發性輻射復合生命週期。在我們的光子晶體發光二極體中，由於可以輻射出更同調的光，被侷限的光子模態可以被萃取出並偶合進高速傳輸的光訊號，並且伴隨著較短的光子生命週期。在此我們由時域上的模態萃取研究，比較其光致發光和高速電致發光的操作成果，在 8.56 KA/cm2 的偏壓電流密度下，光子晶體發光二極體可達到234 MHz電轉光的 -3 dB 的調變頻寬，此為相對於普通發光二極體1.1倍的頻寬增加，而在更大的元件中，更可達到2.1倍的增加比例。由萃取出來的元件本質小訊號參數，我們解釋了由於光子晶體奈米結構萃取出元件中的侷限模態可產生較快的輻射性載子復合，進而達成更快的調變速度。 我們也進一步比較不同光子晶體結構對其小訊號、大訊號動態行為的影響，在室溫下的時間解析光致螢光光譜及拉曼散射頻譜中，光子晶體可造成更快速的暫態響應及高效率的偶合出光，在最佳的設計下，可達到最高的347 MHz 的調變速度，相當於55%的普通發光二極體的頻寬增加量。在進一步的誤碼傳輸測試中，光子晶體發光二極體可成功通過偽隨機序列200 Mbps 的零錯誤碼傳送，其誤碼率小於 10^-10。而在數位調變的眼圖量測中，我們也可獲得較好的訊號傳遞完整性，測試的傳遞速度可達到800 Mbps。我們的研究顯示，由於不同的光子晶體結構會對元件的高頻行為及應力相關因素上產生多種的影響，因此在傳輸訊號測試中，會造成不同程度的訊號損耗改善，在最佳的測試下，光子晶體中有著較大的晶格周期及較大的空氣孔比例，可以表現出最好的頻寬及最佳的訊號傳輸品質。
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在本論文中，我們將粉末套管法與垂直下拉法做結合來製作單晶矽核光纖(silicon-cored fibers)。我們使用成本便宜許多的多晶矽粉來取代成本高昂的單晶矽棒或晶種來製作矽核光纖。藉由優化抽絲的相關參數後，可以成功製作出長度長達一公尺的矽核光纖。最後抽出來的矽核光纖其尺寸約為玻璃包覆層直徑100-300微米、矽核心直徑10-30微米。由能量散佈分析儀可知製作出的矽核光纖有著高純度的特性。由拉曼、X光散射儀可知矽核光纖有著高度結晶的特性。由背向散射電子繞射儀分析得知其單晶的長度可維持超過100微米。 我們使用以銀為催化劑之溶液形式金屬輔助化學蝕刻法製作抗反射結構在矽核光纖端面之上，量測到的反射率降到2.4% 接近模擬的最低值。在1550奈米工作波段，我們使用雷射融接玻璃光纖和矽核光纖之纖殼可將融接損耗降低至1dB。 當光從矽核光纖傳到單模光纖(大數值孔徑到小數值孔徑)，由於模態不匹配會導致極大之耦合損耗。在本論文中，我們提出製作微透鏡在矽核光纖上來提高耦合效率。 我們採用二氧化碳雷射來加熱矽核光纖中裸露的矽核心來快速製備具有高品質因子(quality factor)迴音廊模態(whispering gallery modes)的矽微米球共振腔(silicon microsphere resonator)。使用玻璃錐狀光纖耦合法來激發在矽微米球上的迴音廊模態，得到的最高品質因子為4 x 10^5。本文中，也藉由熱光效應(thermo-optic effect)來探討關於在矽材料上的共振波長飄移現象。我們使用電弧加熱一段矽核光纖以產生一連串矽微米球，並將矽微米球置入單模光纖和中空光纖融接後的空腔中產生光纖式溫度計，其感溫靈敏度約80pm/℃，最高感溫到700℃。由於其開放空間之架構可和外界環境接觸，該元件可作為其他感測應用。 在微光纖的領域裡，我們從聚合物溶液中可拉出壓克力(PMMA)微光纖陣列並使用聚二甲基矽氧烷(PDMS)封裝。微光纖之端面可以控制到單細胞之尺寸，為了測試該基板是否可應用在單細胞光遺傳學上，我們培養帶有光蛋白之HEK293T細胞在基板上並使用紫外光雷射激發。
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在這篇論文中介紹以氧化銦鎵鋅薄膜電晶體與感測金屬板構成之生醫感測器檢測人類皰疹病毒第四型病毒蛋白質。此研究分兩部分： 在第一部分，我們首先利用延伸感測板之薄膜電晶體生醫感測器量測人類皰疹病毒第四型的核抗原抗體與早期抗原抗體。將量測結果與數種現行臨床檢測方法做比較以驗證薄膜電晶體生醫感測器的可靠性。省時、高敏感度是此感測器的顯著優勢。我們可以專一性量測到濃度為 10 -5 µg/ml 的 EBV 抗體溶液。 在第二部分，我們介紹改良型可重複使用之薄膜電晶體生醫感測器。分離原生 醫感測器之薄膜電晶體部分與感測板部分再以棒線方式聯結。他的優點在於只要在每次量測後更換感測板部分，薄膜電晶體部分可以被保存以達成重複使用之需求。在這部分，我們量測人類皰疹病毒第四型的核抗原抗體。並將薄膜電晶體生醫感測器與酵素免疫分析法之量測結果交叉比對，以驗證薄膜電晶體生醫感測器之可靠性。
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近年來生醫科技朝向儀器微小化、快速分析、大量樣本檢測的目標發展。透過微機電系統技術，可以將傳統生醫檢測設備的功能整合於一片釐米大小的晶片上，進行生物分析如混合、操作、傳輸、分離等功能。在生醫領域中，這類晶片被稱為微流道晶片。 微流道晶片因具有「實體」的通道，將無可避免地造成流道的阻塞和汙染，導致晶片壽命減少。為了解決此問題，有科學家運用了介電泳動(Dielectrophoresis)原理建構「虛擬」通道，雖然沒有阻塞和汙染的問題，但漏電問題在充滿液體的操作環境中是一大隱憂。 為了解決實體通道和介電泳虛擬通道的缺點，本研究提出了以磁建構之虛擬通道。將會用理論闡述在外加磁場的影響下，被磁化的鎳金屬結構如何地影響磁性粒子在虛擬通道中流動；最後會呈現虛擬通道導引磁性粒子的效果，分別是擴大端口收集範圍的漏斗型流道、進行轉彎角度測試的轉彎流道、將不同功能流道進行連結的動態分流結構以及改變粒子導引方向的動態旁引結構。
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本研究以微機電技術中的表面微加工技術「PolyMUMPs」製程，製作微型葉片式可形變鏡(Radially-Segmented Deformable Micromirror)，利用靜電力微調元件表面。目標是，達到調焦及掃描之功能，以用於建構微型反射式光學系統，減少色散像差，並藉微調元件表面，使其近似拋物面的某片段，以解決普通凹面鏡斜向入射時產生的散光像差。 未來，此元件可應用於生醫相關之無創光學檢測探頭中，以取代傳統探頭中的透鏡與掃描鏡，縮小探頭體積。 初步實驗結果，利用殘留應力成形的葉片式可形變鏡，未調變時具有最小焦距約1.4 mm。實驗中，除了能同時驅動所有葉片，也可分別控制特定區域的葉片曲率。
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有機發光元件至今已經快速發展成一具有潛力的平面顯示技術，近幾年，熱激活化延遲螢光 (TADF) 材料引起廣泛討論，以其為發光體的元件在紅、綠、藍各式光色中，都達到足以和磷光匹敵的高效率 (EQE>20%)。熱激活化延遲螢光 (TADF) 材料最大的特性，在於其利用逆系統間跨越 (T 1 →S 1) 的過程，可同時蒐集單重態和三重態的激子，減少能量損失。此外，TADF材料還具有低價格、豐富來源和簡易的材料製備等特性，而儼然成為下一代OLED顯示技術材料的首要候選者。在我的論文中，欲利用TADF材料的現象，嘗試除了在擔任摻雜發光體以外，在其他功能上的利用。 我們實驗室已經發表以SpiroAC-TRZ的neat film特性可達到~100%的PLQY，為具有良好特性的TADF材料。在論文的第一部分，我們製作了以純SpiroAC-TRZ為發光層的非摻雜元件。我們設計單、雙、三和四層有機結構元件，改變不同電洞傳輸層和電子傳輸層材料，得到最佳結構為四層有機材料結構，具有低的起始電壓、好的注入電流，和相當高的EQE ~15%。 在論文的第二部分，我們以SpiroAC-TRZ當主體材料，在其中摻雜綠光磷光材料Ir(ppy)2acac，得到了優異的結果，操作電壓極低，EQE= 26.5%，元件roll-off很小，在10000 cd/m2下只有下降到EQE= 25.4%。由於TADF材料分子結構包含電洞傳輸材料和電子傳輸材料的單元，具有良好的雙極性傳輸特性，也具有成為良好主體材料的潛力。 在論文的第三部分，我們以mCPCN為主體材料，SpiroAC-TRZ為輔助性摻雜，TBRb為摻雜的黃光螢光材料，藉由調變兩者摻雜濃度的比例，觀察其頻譜變化。結果得到，在TBRb低濃度 (~0.5wt%) 參雜下，可以得到由SpiroAC-TRZ輔助轉移的能量，放出黃光，且SpiroAC-TRZ本身也會放天藍光，得到雙峰值發光元件(EQE~20%)，CIE 座標位置為 (0.31, 0.44)，為現今以全螢光為主的少數高效率白光元件。