中央大學光電科學研究所學位論文
國立中央大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
LED光萃取效率受到許多因素限制，這些因素彼此相互獨立，又相互影響。基於此，我們以蒙地卡羅光追跡法為基礎，提出一套模擬LED光萃取特性的定量分析模型，研究氮化鎵LED光萃取與光損耗之機制。此外，我們也利用封裝實驗驗證蒙地卡羅方法之模擬結果的精準度。 在本論文中，共有五項主題進行探討，包含主動層吸收與光子循環效應、晶片幾何尺寸、電極與電流分佈、封裝以及微結構等。首先，我們分析主動層吸收對光萃取效率之影響，並在模擬中考慮光子循環效應，結果顯示擁有光萃取結構的LED對主動層吸收的敏感度比一般LED高。其次，我們分析LED幾何尺寸對光萃取效率之影響，結果顯示晶片塑形與圖案式基板適用於小晶片；而表面粗糙化的薄膜氮化鎵結構則適用於大晶片，其中藍寶石基板的建議厚度為50~100um。接著，我們分析電極與電流分佈對光萃取效率之影響，結果顯示光子易被p型電極所阻擋並吸收，為了避免此效應發生，整合高反射率電極、電流阻檔層以及底部反射鏡粗化等技術可有效提升光萃取效率。我們亦探討封裝對光萃取效率之影響，從光學的 觀點，圖案式基板對覆晶接合提升光萃取效率最有效益，而封裝透鏡尺寸必須比晶片大2.5倍才可以有效將光完全萃取出來。另外，增加封裝材料的折射率比增加光萃取結構更有顯著效益。最後，為了增加光萃取效率，我們針對微結構對光萃取效率之影響進行分析與優化，結果顯示微結構主要是藉由光來回反射循環的方式獲得高光萃取效率，因此元件底部的反射率是微結構提升光萃取效率的重要關鍵。
- 學位論文
最古老的液體透鏡製作，可以追溯至17 世紀，發展至今，已有許多不同的製作方式，液壓式、熱效應、介電泳動與目前已有商業產品上市的電濕式液體透鏡，利用電壓的改變，調整透鏡的曲面變化，達到變焦的目的，在這商品不斷地微型化的時代，液體透鏡具有高度的競爭力。 本文利用交流電訊號的電場變動，對液滴的曲率變化做探討，改變峰值電壓與頻率，分析液滴曲率的變化，發現在較低的峰值電壓驅動下，頻率對液滴曲率變化影響較小，高峰值電壓作用下，頻率的改變與液滴曲率變化沒有固定之趨勢，高於3kHz 之後，液滴曲率變化趨於穩定值而不再改變。 此外，交流電的作用使液滴產生振動現象，在不同頻率與峰值電壓作用下，液滴振動模式呈現不同的變化，相同的模式仍有不同的振動形狀，因此在交流電的作用下，可以使液體透鏡展現出更多元的應用。
- 學位論文
傳統上，蛋白質微陣列晶片其所需檢測蛋白質的量很少且種類繁多，導致前期樣品製備非常耗時且不符經濟效應。因此，本研究提出以介電質電濕式(electrowetting on dielectric, EWOD)微流體系統為基礎，利用其可驅動單一微液滴的特性，設計並製作一蛋白質原位合成生物晶片，以少量、即時和多樣化的方式合成所需的胺基酸序列，進而應用於蛋白質晶片檢測上。 本研究於使用EWOD微流體系統進行蛋白質合成的應用上，提出三點實驗結果：1. 利用加大EWOD系統中的介電層厚度以及旋轉塗布五層鐵氟龍膜，可驅動極性微流體DMF和胺基酸合成所需溶液等。2. 利用矽晶片濕蝕刻開孔的方式於鐵氟龍膜鍍上金膜，並對金膜作表面改質使其露出OH–基，使得胺基酸序列可原位接合於金膜表面。3. 由ESCA量測結果顯示，利用本研究設計之EWOD微流體系統可接合三段亮胺酸序列以及亮胺酸和苯丙胺酸兩段胺基酸序列，而每次胺基酸接合率可達五成以上。
- 學位論文
本論文提供了架構簡易、輸出窄光譜寬度黃光雷射的方式：使用2個VBG作v型光路的架構，產生窄光譜寬度的1064 nm與1342 nm作為基頻光，經由腔內非線性晶體BBO達到合頻的轉換，得到窄光譜寬度的593.5 nm黃光。其輸出的593.5 nm的半高寬不超過0.03 nm，最大輸出功率為2 mW。此593.5 nm的黃光在Fabry-Perot interferometer上可有單模的輸出。
- 學位論文
本論文研究中，我們藉由結合BSDF以及蒙地卡羅光追跡法模擬散射光在空間中的散射性質，來建立精確的光學擴散板光學模型。首先，針對擴散板數個重要的光學特性進行量測實驗，然後依所得之實驗數據在軟體中建立擴散板光學模型。搭配精準的LED光學模型後，便能夠進而建構出精準的混光腔體光學模型，並計算出混光腔體光學效率以及出光面均勻度。最後，我們將擴散板以及混光腔體的實驗數據與模擬結果做相互比較與探討，並將本研究之流程歸納為一套適用於LED背光模組薄型化的設計。
- 學位論文
本篇論文利用有限時域差分法為演算法之基礎，用以分析發光二極體表面之為奈米結構之光學特性；針對其光粹取效率以及光型分布為主要研究方向。並且涵蓋製程與光致發光之角度量測系統量測之結果，用以交互比對模擬預測結果。研究內容包含四類不同用途需求之發光二極體設計，分別為：其一，蝕刻至n型氮化鎵層之近紫外光發光二極體表面結構以提高光粹取效率，過蝕刻側壁粹取主動層所發出之光能，進而縮短光在材料內之路徑以減少材料對光之吸收。其二，使用深蝕刻至n型氮化鎵層的梯型結構之傾斜側壁，粹取在n型氮化鎵層內橫向傳遞的能量並得到一蝙蝠翅膀型之光型分布。其三，利用蝕刻p型氮化鎵層產生之奈微米結構，將發光二極體之光型修整為均勻分布。其四，蝕刻沉積在p型氮化鎵層表面之氮化矽薄膜，產生微奈米結構以集中發光二極體之光型並且避免蝕刻所致之發光二極體電特性破壞。在上述四個案中比對量測與模擬結果，做為模擬模型之可信度驗證。
- 學位論文
本篇論文裡，相較於傳統光學濾波器是以多層薄膜堆疊的方式濾波，我們想利用導波模態共振濾波器這種簡單結構的濾波器。希望未來能應用於雷射共振腔裡的高反射鏡，使得出光的雷射為一個很純和指向性高的波長。所以我們理論設計的濾波器，其頻譜特性的目標為：高品質因素，故共振線寬能小於0.1nm；提高雜訊比，側帶高穿透率區域能大於700nm；最大穿透率能超過90％。而共振波長則以紅外波段為主。 我們提出的結構分別為：波導和光柵材料選擇SiNx，低被覆層為二氧化矽。先利用波導理論設計出波導厚度與特徵模態，爾後利用相位匹配得到光柵的週期，接著引入等效介質理論觀察側帶的穿透率。最後經過製程的容忍度分析，並實際製作出設計的導波模態共振濾波器，對模擬進行比對和驗證。 設計出的導波模態共振濾波器，在TE和TM模態下會有不同的結構參數。在光柵厚度為30nm下：針對TE模態，共振波長在1550.4nm，共振線寬為0.1nm，側帶高穿透率區域為680.8nm，品質因素為15504，最大穿透率為0.93。而TM模態，共振波長在1549.9nm，共振線寬為0.011nm，側帶高穿透率區域為733.76nm，品質因素為140902，最大穿透率為0.926。成功設計出符合我們目標的導波模態共振濾波器。 製程則以TE模態為例，實地量測後共振波長在1.58μm，共振線寬為0.92nm，側帶高穿透率區域為415nnm，品質因素為1718，最大穿透率約為0.94，這與將結構參數代入模擬計算得到的頻譜特性大致吻合。至此，我們成功的實際製作出滿足我們設定目標的導波模態共振波器。
- 學位論文
矽基太陽能電池的轉換效率，主要受限於兩類的能量損耗，其中一類是光子能量遠高於材料能隙時造成聲子散射的效應減少光能轉換成電能的機率形成熱能而散失。所以本論文探討的主題是利用成長矽量子點於氮化矽基質中取代一般氮化矽抗反射膜作為一光子轉換層，將高能量光子透過量子點轉換成低能量光子再吸收，預期能提升光子吸收機率，進而增加太陽能電池轉換效率。實驗中利用PECVD，通入SiH4和NH3作為反應氣體，改變NH3氣體的流量，當過量的Si原子無法和N原子反應析出形成結晶矽量子點。 藉由NH3流量的調變，改變了矽量子點的尺寸，造成矽量子點發光波長的變化。低NH3流量有較大矽量子點尺寸而發光波長較長，也就是能隙較小。沉積功率對矽量子點生成的大小只有微幅調變的效應，發光頻譜差異不大，低功率下發現發光強度較強。對矽量子點影響較大的因素是沉積溫度，低沉積溫度下矽量子點發光頻譜向短波長移動，也就是矽量子點尺寸較小，但膜層折射率較低符合抗反射層需求。 選用SiH4/NH3流量比為120/10 sccm、100℃和50W的條件沉積矽量子點抗反射膜於多晶矽太陽能電池上，效率的量測結果顯示，轉換效率達到12.12%，提升了百分之11％。
- 學位論文
目前發光二極體在固態照明上的應用越來越廣，國內外有許多團隊利用圖樣化藍寶石基板來提升發光二極體的內部與外部量子效率。本論文最主要的目的為，使用化學濕式蝕刻法和乾式蝕刻法將微米結構圖樣製作於發光二極體的藍寶石基板(sapphire substrates)，藉此來改善發光二極體的光萃取與出光效率。 在化學濕式蝕刻法方面，利用高溫酸液，做出具有晶面圖樣的圓洞形藍寶石基板；在乾式蝕刻法方面，結合光阻熱融，雙重擋層，並利用導熱介質於藍寶石背部改善熱傳導，做出高度更大的半球形藍寶石基板。磊晶後得知圓洞狀圖樣藍寶石基板與氮化鎵之間會有空隙的產生，而半球形圖樣藍寶石基板則不會。 在電性上，圖樣化藍寶石基板發光二極體與傳統發光二極體的電流電壓曲線非常相似，電性沒有被破壞。在電制激發光譜上可看出，圖樣化藍寶石基板可以減少Fabry-Perot現象。以圓洞圖樣藍寶石基板製作之發光二極體，光輸出功率提升39％。以半球形圖樣藍寶石基板製作之發光二極體，圖樣週期為4.5µm、5.0µm、6.0µm時，其光輸出功率分別提升45％、36％、29％，與光萃取理論模擬結果34.6％、33.3％、31.3％，因此我們可以發現實驗與模擬方面在趨勢上是相當符合的。
- 學位論文
在既有PLC上的濾波器架構中，我們可以發現具「單石積體化」的濾波器結構已成為研究主流，早期由NTT等所提出之利用薄膜濾波器的外插法，用混成構裝技術封裝至PLC機板上，在特性及成本上皆不具量產之可行性；也因此，目前尚無該架構的商品化應用。而具單石積體化的PLC架構中，為了能實現高密度堆積，布拉格式波導光柵或凹面型光柵由於作用區會高達數毫米，無法善盡PLC之微型化的優勢，在研究上或商品化上較不受青睞。而與波導光柵相近的Fabry-Perot共振腔濾波器則是目前相當受到矚目的結構，主因在於該種濾波器，可以經由適當的設計，就達到帶通、帶拒等濾波特性，但若要達到一定程度的消光比、或夠窄的頻帶寬度等濾波需求，則需要增加前/後的反射鏡組；然而，其中所引入的散射損耗和繞射損耗則相當可觀。 在此論文中將提出利用具導波模態共振特性的次波長光柵作為PLC上之波導光學濾波器，成為可實際應用之WDM系統之濾波元件。引入GMR光柵成為一種在PLC基板上的新式濾波器將將具有下述特點：工作區域距離甚小、具單石積體化特性以及具彈性的多種濾波特性。然而設計使用的GMR結構僅有光柵部分並無波導的部分，在此光柵將同時扮演著光柵與波導的角色。對於1310 和1550 nm波長做分波作用，並利用FDTD的模擬運算，可以得到1550 nm波長有著高穿透特性，其穿透效率高達94 %。而1310 nm波長而有高反射的現象，其反射效率高達96 %。 在我們所設計使用的光柵濾波器其波長頻譜圖可以得知在1310 和1550 nm區域中能量衰減0.5 dB的波長帶寬各有 60 nm 和40 nm的帶阻以及帶通頻寬對於應用在光通訊上有很大的好處。 材料方面選用 SOI晶圓來做為系統的材料基板，因為其二氧化矽層之絕緣性佳，目前大都應用在製作互補性金氧半導體元件，而矽與二氧化矽的光學折射率各為3.4811與1.450，所以SOI 的上層矽包夾在兩個低折射率介質中，因此SOI本身就形成平板波導的條件。選用SOI 來製作光學元件有機會與CMOS積體電路做通訊元件的相關整合。最後藉由半導體製程可以實際製作出GMR光柵濾波器與波導的整合元件可行性。