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矽基板穿孔之氮化鎵高電子遷移率電晶體之高頻特性分析及其小訊號模型

氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體在高頻應用上很有前景，而矽基板則是在商業化下最吸引人的選擇。但是在運用在高頻及高功率放大器時，低阻值的矽基板會造成寄生效應而降低其高頻表現。而矽基板移除是個被期待的辦法去跨越這個寄生效應衍生的瓶頸並保有低阻值矽基板的優點。在這個論文中，我們探討氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體在完全及局部移除矽基板之後的特性，並建立相對應的小訊號模型。 在第二章，我們探討氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體完全移除源極和汲極間矽基板之後的特性。元件在移除基板後在低頻下有較差的順向增益電壓，但在高頻下卻有較好的順向增益電壓，因為低頻時挖除基板的電晶體受到較嚴重的熱效應導致增益降低，但在高頻時因為移除矽基板降低漏流效果高於熱效應的影響，而可取得較好的順向增益電壓。我們觀察到挖除基板的電晶體有較高的電流增益截止頻率和功率增益截止頻率，雜訊的表現也被提升。 在先前的探討中，我們得知矽基板移除能有效的改善元件的高頻特性，在第三章，我們再更深入的研究在不同的操作偏壓下，選擇性移除矽基板時的高頻特性。矽基板背後製程的前後之間，直流特性並沒有太大的改變。磨薄及不同的矽穿孔對電流增益截止頻率並無太大影響。在矽基板背後製程前，功率增益截止頻率相差很大因為受非線性缺陷影響，而在汲極偏壓提升時，其變化也會被非線性缺陷屏蔽住。而在矽基板背後製程後，非線性缺陷被抑制，且寄生效應減少越多功率增益截止頻率有越大的提升。選擇性移除矽基板在汲極偏壓提升時，其寄生效應會跟著提升，導致其回到矽基板背後製程的前的狀態，而完全移除寄生效應相關部件則不會有隨著汲極偏壓提升而提升的寄生效應。最後包括寄生效應相關部件的小訊號模型被建立且模擬出上述探討的理論機制。結果再度顯示矽基板的移除能改善高頻特性，並且在不同的偏壓下，完全移除寄生效應相關部件有較穩定的高頻特性提升。

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透過閘極掘入技術之應用以改善HEMTs之操作特性與穩定度

在本篇論文中，我們以閘極掘入技術進行氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體的製作，首先以光阻進行製程上的改良及進一步縮小線寬，接著探討感應式耦合電漿蝕刻(ICP-RIE)對氮化鋁鎵之蝕刻速率，並以原子力顯微鏡(AFM)驗證蝕刻深度。量測數據顯示電晶體之臨界電壓(Vth)隨閘極掘入蝕刻時間而呈現正向偏移，對於閘極線寬400 nm的元件，我們將其臨界電壓偏移約1.9 V，仍然無法達到增強型(Enhancement mode)的操作。 同時，本實驗室研究不同磊晶結構對氮化鎵及元件之影響，研究結果發現氮化鋁(AlN)緩衝層可以減少氮化鎵差排密度，進而提升磊晶品質及後續元件電性表現，而從霍爾量測得知有氮化鋁緩衝層之結構二維電子氣濃度較大，使得原始臨界電壓較負，因此我們以相同蝕刻參數與時間對無氮化鋁緩衝層之結構進行閘極掘入製程，成功地使元件達到增強型操作。因此我們認為臨界電壓之大小通常在磊晶時即已確定，單一透過閘極掘入技術控制臨界電壓效果有限，本論文即利用感應耦合電漿蝕刻控制閘極掘入深度，達到控制臨界電壓之目的。

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高速垂直共振腔面射型雷之光電特性探討與優化

本論文探討短波長850奈米紅外光高速垂直共振腔面射型雷射元件特性與優化製程。透過數學理論、優化製程、光學特性與調變優化等方式，探討高速雷射改善方向與方法。文章共分成六章，包含了雷射發展歷史、訊號模型與萃取、製程優化改善、光學特性分析與優化高溫下調變格式等五個部分。 首先，第一章將簡單介紹面射型雷射的發展歷史與近代雷射的發展軌跡，並描繪現代雷射的發展進程與高速雷射發展方向。根據這個方向，我們在第二章重新檢視高速雷射在速率方程式與小訊號模型上的影響關鍵，並建立標準萃取流程。第三章，將透過雜質參雜誘發晶格失序的方式減低鏡面電阻並提高注入效率。實驗中，透過分析特徵溫度、理想因子與元件頻寬，描述通過製程改善前後的元件特性差異，並利用眼圖進行特性驗證。此外，考慮到耦合效率對於訊號品質的影響，第四章中將藉由光學場型與光學頻譜，探討面射型雷射發散角對於光學場型的分佈，並解析熱效應對元件的實際影響。 透過前面章節，我們注意到高溫對於雷射的影響非常嚴重，因此如何對抗溫度的影響是非常重要的議題。為了克服這個問題，本論文除了採用常見的溫度補償型雷射進行實驗，也在第五章中利用多頻正交分工的調變格式進行傳輸優化；透過多頻正交分工，我們成功達成高溫50 Gbps的傳輸結果，此外我們也首次描述多頻正交分工傳輸格式應用於溫度補償型面射型雷射的訊號變化。 經由本篇實驗，我們研究了高速雷射對於溫度效應的影響，並探討改善雷射的可能性。

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基於簡單多模干涉結構的小型雙模態切換器

本論文所追求的目標是一個模態切換器的尺寸小型化，為了達成這一目標，本研究將調制區塊與元件主要結構整合，在多模干涉結構的兩側進行折射率變化使得模態場型在多模干涉結構中產生偏移，在輸出端達成模態切換的效果，利用這樣的方法可以大幅減少元件的尺寸，在長度方面本論文的元件能夠將以往大於數百微米的模態切換器縮小到只需 38.4 微米，寬度方面則可以降到 3 微米的大小。 在數值模擬方面，本論文設計的是一個雙模態的切換器，針對輸入的 TE0 與 TE1 模態進行切換，為了能夠使元件能夠與半導體製程相符，絕緣上矽 (Silicon On Insulator, SOI) 被選為基板，然後使用商用光學模擬軟體 Lumerical 進行光場在元件中傳播特性的模擬，再配合數學軟體 MATLAB®對模擬所求得的結果進一步分析與匯出數據圖。 在結果的部分，本研究所設計的元件在 1550 奈米光源下，在串擾部分針對 TE0 達到 –15.3803 dB、對 TE1 達到 –17.8115 dB，插入損耗的部分針對 TE0 為 –2.9618 dB、對 TE1 是 –4.2519 dB，頻寬的部分在插入損耗不超過 -4 dB串擾低於 -15 dB的條件下為10 奈米 (1545 奈米 ~ 1555 奈米)，若是與其他的模態切換器做比較，本文的整合型元件能夠將 2700 μm2的尺寸大小縮小到只有 115.2 μm2，也因此成功達成了本研究的元件小型化目標。

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利用全域式光學同調斷層掃描術與自編軟體進行角膜神經的量化分析

在眼角膜的檢測當中，建構高解析度的三維影像，可以提供臨床醫師更多的診斷資訊，對疾病做精準的判斷。例如：角膜各層結構之形貌與厚度。除此之外，角膜富含感覺神經，許多的系統性與眼表面疾病，皆與角膜亞基底神經之形貌變化有關。目前文獻上也報導了許多與角膜神經相關的疾病，例如：帕金森氏症、糖尿病與乾眼症。因此精確定量角膜亞基底神經形貌，就有機會對疾病進行早期的診斷。 在本研究當中，使用高空間解析度之全域式光學同調斷層掃描，其具有等向性及微米等級解析度之特性，能夠展示角膜各橫平面、縱平面與三維立體影像。除此之外，本系統還具有大面積掃描的能力，能夠藉由拼接的方式組合多個視域之大面積影像。 藉由檢體小鼠與兔子實驗，證實本系統具有細胞等級的成像能力，且能夠對角膜亞基底神經做定量的分析。在兔子的實驗當中，我們發現了許多影響神經量化的複雜形貌，例如：K結構與基底上皮細胞邊界。而小鼠角膜神經形貌定量結果為：主幹神經密度136.93 ± 19.18 mm-2；分枝神經密度731.00 ± 186.19 mm-2；分枝神經連接點密度608.01 ± 116.99 mm-2；角膜亞基底神經密度61.46 ± 1.78 mm/mm2；神經寬度1.08 ± 0.32 µm；扭曲度0.0681 ± 0.0132；平均分枝點4.57 ± 1.41；分枝主幹比5.53 ± 2.04；K line平均值為 Grade 1；短神經15 ± 3.5根；平行性0.7500 ± 0.0475；單一影像中之平行性標準差0.30 ± 0.02。 利用全域式光學同調斷層掃描，可清楚地拍攝出小鼠角膜亞基底神經細微的結構，並同時得到角膜之縱平面影像。接著透過自行編寫的神經分析軟體TCCMetrics，精確的將神經形貌定量為十二項量化參數。結合以上兩者技術，在臨床上有望促進疾病早期之診斷。

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以基於表面電漿子共振與靜電感應的限制擴散聚集現象來形成銀奈米網絡結構

在本篇論文中，我們發展可進一步改善基於熱電子限制擴散聚集現象而形成銀奈米網絡的透明度及導電性之技術。與以前的銀奈米網絡研究相比，我們改變的製程條件如下：（1）使用可見光發光二極體代替紫外光發光二極體來照射氮化鎵基板上的銀奈米顆粒；（2）激發銀奈米顆粒的局域表面電漿子共振以產生熱電子；（3）將濕度提高到接近100％；（4）將銀沉積厚度增加到3-5奈米來形成銀奈米顆粒。與以前的結果相比，新的銀奈米網絡有較低的片電阻，可降低到約140歐姆。而可見光範圍內的漫透射率可高於80％。此外，我們也有一些發現。首先，靜電感應效應在限制擴散聚集現象過程中扮演重要角色。第二，在銀奈米網絡中發現氧成分，因此銀奈米網絡的成分包括銀和氧化銀。氧化銀的形成乃由於周圍的高濕度，這可能使得進一步降低片電阻變得困難。第三，電子穿隧現象可能是熱電子從銀奈米顆粒遷移到氮化鎵基板的重要機制。最後，銀奈米網絡的結構及其透明度和導電性可以通過照明條件來控制。

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表面電漿子耦合對量子點與羅丹明6G間福斯特共振能量轉換的影響

在本論文中，我們將羅丹明6G吸附至硒化鎘鋅/硫化鋅的核殼綠光量子點上，並將此羅丹明6G、綠光量子點的複合體利用靜電自組裝的方式使與銀奈米顆粒接合成一體，以研究侷域表面電漿子耦合效應對於量子點與羅丹明6G間福斯特共振能量轉換的影響。表面電漿子可以透過近場與發光體耦合以提高量子點的發光效率，因此能量透過福斯特共振能量轉換至羅丹明6G的過程必須與量子點的自發光競爭，我們觀測到在表面電漿子耦合效應下福斯特共振能量轉換的效率降低。另外雖然當羅丹明6G直接接合至銀奈米顆粒上時，表面電漿子耦合效應可以提升羅丹明6G的發光效率，但是當羅丹明6G先吸附在量子點上再接合至銀奈米顆粒上時，表面電漿子耦合提升發光效率的效果會降低，甚至當量子點吸附較多羅丹明6G分子時，表面電漿子耦合效應可降低羅丹明6G的發光效率。本研究中我們也建立一個速率方程式模型，嘗試與量測所得的光致發光衰減數據比對，並合理解釋我們所得到的實驗結果。

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使用銀奈米線為透明導電體之發光二極體內表面銀奈米顆粒的表面電漿子耦合行為

在本論文研究中，我們先將銀納米線覆蓋在氮化鎵基板上，隨後製作銀納米顆粒，並與未覆蓋銀奈米線直接製作銀奈米顆粒的樣品進行比較，發現前者的侷域表面電漿子共振波長明顯較短。後者共振波長通常長於500奈米，而前者則落在可以與藍光量子井耦合的範圍內（約450奈米）。我們推測這種行為是由於聚乙烯吡咯烷酮沉積在基板表面所引起的，聚乙烯吡咯烷酮是用於合成銀奈米線的表面活性劑，留存在銀奈米線的表面上。聚乙烯吡咯烷酮可溶解在銀奈米線溶液中，並與銀奈米線一起鋪在氮化鎵表面。聚乙烯吡咯烷酮在銀奈米顆粒與氮化鎵之間形成一個薄間隙，導致銀奈米顆粒的侷域表面電漿子共振波長藍移。量子井的內部量子效率和光致發光衰減時間的測量顯示，這種藍移行為可以提高量子井在450奈米處與表面銀奈米顆粒的表面電漿子耦合效果，從而提高量子井的發光效率。這種現象可以應用於使用銀納米線作為透明導電體之藍光二極體。

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在氮化銦鎵/氮化鎵量子井奈米柱結構上膠體量子點的光色轉換行為

本論文中，我們在藍光氮化銦鎵/氮化鎵量子井模板上製作奈米柱結構，並讓表面貼附紅光量子點及銀奈米顆粒，以研究量子井及量子點之間的光色轉換行為。銀奈米顆粒的侷域表面電漿子共振會產生表面電漿子耦合效應並提升量子點的光色轉換效率。同時，當量子點貼附在奈米柱側壁上，量子井與量子點之間極短的距離會造成福斯特共振能量轉移，能再進一步提升光色轉換效率。我們通過改變奈米柱的高度來控制貼附在奈米柱側壁上的量子點與銀奈米顆粒的相對位置，以研究量子井與量子點在不同情況下的發光行為。福斯特共振能量轉移的過程能同時增大量子點的內部量子效率及光致發螢光衰減時間，這與量子井的行為不同。藉由同時在奈米柱表面接上銀奈米顆粒與量子點，表面電漿子耦合效應能進一步提升量子井及量子點的內部量子效率，並降低它們的光致發螢光衰減時間。表面電漿子耦合能夠提升福斯特能量轉移效率。

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調控表面金屬奈米顆粒的基板侷域表面電漿子共振模態行為以最大化與氮化銦鎵/氮化鎵量子井的表面電漿子耦合效果

在本研究中，我們首先模擬表面金屬奈米顆粒與量子井之間的表面電漿子耦合行為，顯示金屬奈米顆粒的基板侷域表面電漿子共振模態對耦合效果的重要性。金屬奈米顆粒與基板之間的接觸界面越大，所產生的基板侷域表面電漿子共振模態越強，得以實現更強的表面電漿子耦合效果。接著，我們利用自組裝的方式在氮化銦鎵／氮化鎵藍光量子井結構表面鋪陳銀奈米顆粒，為了增加銀奈米顆粒與基板之間的接觸界面，其中一組樣品在不同溫度下進行熱退火，另外一組樣品對銀奈米顆粒施加壓力。藉由提高熱退火的溫度或施加壓力大小，我們可以增加表面銀奈米顆粒侷域表面電漿子共振波長的紅移範圍。在適當的熱退火或施加壓力條件下，侷域表面電漿子共振可以與量子井的發光波長匹配，可最大程度地提高量子井內部量子效率，並縮短其光致發螢光衰減時間。