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雷射激發天線輻射

利用不同脈衝寬度的遠紅外光雷射經過不同程度的聚焦提升光能量密度轟擊金屬導線，金屬受光電效應於導線表面產生電子擾動與震盪，電子擾動產生電流進而激發天線輻射，其天線輻射之波長與激發雷射的脈衝寬度相近，本文分別使用脈衝寬度7ns、460ps與160fs的遠紅外光雷射來激發金屬導線，實驗結果分別量測到170 MHz、2.6 GHz與寬度約3 THz的太赫茲天線輻射。同時，將對實驗中的蕭特基能障效應(Schottky effect)與多光子放射(multi-photon emission)現象進行討論。 為了證實金屬導線對於不同脈衝寬度雷射可激發出不同波長的天線輻射。首先我們將遠紅外光聚焦於直徑2 mm拋光金屬導線截面的一端並且於此前端懸空施加電壓，而另一端接地。透過施加正電壓提升光電流至0.8 kA，並且量測到由7 ns脈衝寬度雷射所激發170 MHz無線電波的遠場輻射。我們接著使用自製460 ps脈衝寬度之Nd:Yag閃光燈雷射放大器來激發導線天線輻射，其激發導線跨接於一接地S波段微波波導管，透過環形接收天線分別於波導管的前後量測到1.7 GHz與2.6 GHz的微波訊號。最後用160 fs、800 nm超快脈衝雷射激發導線天線輻射，並透過電光取樣法(EO-sampling)量測到約3THz頻寬的太赫茲訊號，其強度相當於同一實驗環境條件下碲化鋅產生的太赫茲輻射。基於上述我們成功地實驗出多頻段的導線天線輻射(無線電波至太赫波)，我們進而提出一個導線天線的設計應用，利用約100發的雷射脈衝串激發導線天線其輻射於一個微波共振腔中累積，透過雷射挑選器(Pockels cell)於同相位的情況下釋放足以加速電子達相對論光速度的電場梯度(~100 MV/m)，並模擬約5MeV電子能量的電子行為將於清華大學、同步輻射研究中心與北京清華大學設計的S-band光陰極電子槍中，此外，更進一步模擬電子束於一移頻磁鐵中震盪產生百萬瓦(MW)等級的太赫茲自由電子輻射。此設計提供一個小型化、高功率自由電子雷射的概念。此技術有著很大的發展潛力，其中包括控制激發雷射脈衝寬度與調整弦波型導線週期長度的都卜勒位移輻射(Doppler shifted radiation source)， 與利用導線激發輻射源建立同步相位加速場的質子加速器。

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以基板轉移技術應用於發光二極體以提升光汲取效率之研究

發光二極體的光學耗損主要來自於各個介面折射率的不同，而造成全反射的問題。我們雖然提出了於藍寶石基板背面製作光子晶體，利用其對光線繞射的原理來避開空氣與氮化鎵介面的全反射問題，但是在藍寶石基板與氮化鎵的介面依然會有全反射的問題，限制了出光效率的提升。 本論文提出一種製程，將布拉格反射鏡以及三維光子晶體等光學結構直接製作於氮化鎵上，我們使用基板轉移技術，選擇基板材質為藍寶石基板的氮化鎵磊晶片，使用基板黏合製程以及雷射剝離製程轉移基板，使氮化鎵層的背部裸露出來，直接於氮化鎵的表面製作光學結構。將光學結構由發光二極體基板的背部，移置氮化鎵與基板之間的位置，期望能達到增進發光二極體出光效率的效果。 我們分別使用了四種黏著劑作為基板轉移製程的測試，發現Su-8 以及BCB這兩款黏著劑可以應用於基板轉移製程。我們使用Su-8作為黏著劑，進行基板轉移製程後，於氮化鎵層製作布拉格反射鏡進行後續的晶粒製程，製作出發光二極體並進行電性與發光特性的量測。 之後我們改用性質更加穩定的黏著劑BCB，配合材質為SiNx的犧牲層，使用於基板轉移製程，同時也將高溫製程往前挪動至接合製程前，避免後續的高溫製程影響到黏著劑的接合力。配合對位式的雷射剝離製程使晶粒良率提升，再使用雷射干涉微影技術在氮化鎵表面製作二維週期性結構，將三維的自我複製式光子晶體製作於氮化鎵表面。

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利用光學天線結構達成光頻譜與偏振態之解析

摘要 本論文利用經過設計的光學天線結構，以不同的天線尺寸以及光學天線排列方式分別達到解析不同入射光源頻率及偏振態之目的，為了得到較佳的解析能力，使用有限差分時域法模擬單一長條天線與長條天線對的光譜響應與近場能量分布，藉由調整長條狀天線排列方式（例如天線長軸方位角、長條對天線間間隔長度）與天線大小（包括天線長度、寬度及厚度）得到較佳的頻譜響應。若以相同光源激發不同幾何參數的天線陣列，當入射光源的頻率對應到該結構頻率響應峰值時，在結構附近將得到較強的近場光學訊號並藉由空間上近場訊號分布分辨入射光之波長；若考慮入射光偏振態，相同長條結構天線來說，電場方向平行於天線長軸相較於電場垂直天線長軸擁有較大的響應能力，因此亦可藉由不同的天線排列區分激發光源的偏振態。 實驗樣品以金作為結構材質配合電子束微影在玻璃基板上製作奈米天線陣列，量測上採用收集式近場掃描光學顯微鏡，以近紅外光波段光源經全反射光路產生之漸逝波做為遠場激發光源，再利用剪力回饋的方式量測天線陣列結構之近場光學訊號分布並與數值模擬結果比對。

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利用快速熱熔磊晶鍺異質成長砷化鎵材料於矽基板

近年來，矽與砷化鎵整合技術應用於電子元件或光學元件上一直以來都是一個經常被拿來研究的課題，舉例來說利用砷化鎵作為基底的三五族量子井場效電晶體，或三五族紅外光雷射，文獻上都已成功做出且也不錯的特性表現。但基於兩種材料本質上4%的晶格常數、60%熱膨脹係數的差異以及晶格結構的差異，使矽與砷化鎵整合有一定的難度。一般常用方法如晶圓接合法，可直接將鍺晶圓和矽晶圓對接，不需高溫的鍵結，但缺點為太浪費材料，且接合時，晶圓表面輪廓不易控制。另一種方法是利用成長漸變式的矽鍺緩衝層藉由緩衝層間接成長砷化鎵於矽上，此法需要較特殊的製程處理和儀器，磊晶後的矽鍺緩衝層會很厚且需要高溫長時間的退火，才能達到元件所需高品質單晶鍺，此高熱預算會降低元件表現，另外太厚的鍺緩衝層也會影響III-V雷射在通訊波段1.3um的發光效率。 回顧文獻，使用快速熱熔磊晶法可以保證所長的鍺為高品質單晶，且可以輕易控制厚度及可複製晶向，本文試圖利用快速熱熔磊晶法在矽基板上磊晶鍺，取代矽鍺漸變的方法，做為成長砷化鎵前的緩衝層，改善鍺緩衝層太厚且高熱預算過高的問題，並實際利用金屬有機化學氣相沉積系統異質成長砷化鎵於矽基板上，並利用SEM、AFM及TEM、光激發光(PL)光譜觀察表面型態、粗糙度及結晶狀態與缺陷。

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DNA材料以光化學法合成金奈米結構與應用於表面增強拉曼散射

因申請專利緣故，資料延後公開

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生物奈米複合材料提升有機發光元件效率之探討

因申請專利緣故，資料延後公開

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積體光學元件應用於光操控微粒子

本論文提出方向耦合器(Directional Coupler)與多模干涉耦合器(Multi-mode Interferometer)的設計流程與製程方式，藉以實現利用光學機制產生的力量驅動以及轉換微粒子移動的軌跡。光波導上的消逝波(Evanescent Wave)將可推動微粒子，而光學元件上之光場分佈將影響微粒子的驅動軌跡，藉以控制微粒子於光學元件上的位置。操作實驗使用50mW TM極化雷射光，以1540nm及1550nm波段用以選擇微粒子流動於不同出口。本論文以MATLAB軟體計算操縱微粒子的力量，並驗證力場分佈情形符合實驗結果。方向耦合器與多模干涉耦合器的耦合長度亦使用MATLAB計算，並於實驗中量測實際耦合長度。經過實驗證實，計算出的耦合長度與實驗結果相符，以此再次印證微粒子移動的軌跡將依隨光學元件上的光場分佈圖形。

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光柵結構下的表面電漿磁光柯爾增強效應

基於表面電漿子(Surface Plasmon Polariton, SPP)的特性，將其用於生物感測用途的研究被廣泛討論，而與磁光效應(Magneto-optical effect)的合併運用更可以增強元件的檢測靈敏度。 本論文中將元件設計為金(Au)/鐵(Fe)/金(Au)三層的光柵耦合式結構，基於金的低光學吸收以及鐵的高磁導率特性，在提升表面電漿耦合效率的同時也能提供明顯的磁光效應。本實驗所採用的光柵耦合式結構非但能夠屏除傳統的表面電漿所使用的耦合稜鏡，並能夠在正向入射的條件下使入射光耦合進表面電漿，有利於使整體的光學架設精簡化。有別於一般稜鏡耦合式將消逝波耦合進結構背面的現象，光柵耦合式能將表面電漿消逝波耦合至光柵上方，並能夠大幅度減少消逝波被鐵磁性材料吸收的機會。基於上述的特性，本實驗中所設計的元件能夠增加鐵磁性材料的厚度以提升材料的磁導率，進而使的磁光效應更加明顯。 實驗結果證實了在表面電漿耦合波段處確實有磁光訊號增強的現象，而其靈敏度比一般的光柵耦合式要大上1.7倍，而本次實驗中所設計的金(Au)/鐵(Fe)/金(Au)三層光柵耦合式結構的靈敏度也比一般的金(Au)/鐵(Fe)/金(Au)三層稜鏡耦合式要大上4倍。

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二次曲線V型光柵表面電漿生物感測晶片

表面電漿生物感測技術擁有比其他生物感測方法有更高的靈敏度，如今已經發展出很多不同的表面電漿生物感測方法。本論文主要是討論光柵式表面電漿感測方法。此方法最主要是藉由觀察反射頻譜的變化量，而去感測光柵表面物質的變異。我們利用Finite Difference Time Domain (FTDT)這個方法去模擬後發現改變光柵表面形貌會影響反射頻譜的特性，進而設計出二次曲線V型光柵，此種光柵比起傳統的矩形光柵在同樣深寬比下其反射頻譜的頻寬比較窄。經由我們實驗證實，擁有較窄頻寬的表面電漿感測晶片其系統的解析度較高，如此就可以偵測到更細微的訊號。接著我們整合微流道系統，將不同濃度的食鹽水注入晶片中測得我們晶片的敏感度(Sensitivity)為820(nm/RIU)。最後利用biotin-avidin這個生物流程去測試生物感測晶片的效能，測試結果顯示反射頻譜偏移量會隨著不同濃度的avidin溶液做線性的偏移，如此我們就可以輕易做生物檢測的定量分析。

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利用自我對準微接合技術製作矽鍺異質接面波導光偵測器

近年來，矽鍺整合技術應用於電子元件或是光學元件上漸漸受到矚目，舉例來說，利用鍺材料載子遷移率高的特色做主動調變器，或鍺紅外光偵測器，文獻上都已成功做出且有不錯的特性表現。但基於兩種材料本質上4%的晶格常數差異，使矽鍺整合有一定難度。一般常用方法如直接磊晶鍺於矽基板上，但此法需要較特殊的製程處理和儀器，且磊晶後的鍺需要高溫長時間的退火，才能達到元件所需高品質單晶鍺，此高熱預算會降低元件表現，且增加與積體電路整合困難度。另一種達成鍺矽異質結構的方法為晶圓接合法，可直接將鍺晶圓和矽晶圓對接，不需高溫的鍵結，但缺點為太浪費材料，且接合時，晶圓表面輪廓不易控制，此問題將造成元件良率下降。 回顧文獻，使用液相磊晶法可保證所長鍺為高品質單晶，但此法需將鍺先包覆於一非晶材料坩鍋中，高溫退火使鍺成為單晶，而鍺和矽基板被坩鍋絕緣層所阻擋。在本論文中，提出新穎的方法，利用自我對準微接合技術直接將液相磊晶後的鍺材料和矽基板鍵結，不需高溫長時間退火，且接合範圍小，改善大範圍晶圓接合問題，並實際完成鍺矽異質接面PIN波導型光偵測器，所量測的暗電流密度、光反應、操作速度皆有高水準表現。