光電工程研究所
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本所於民國91年成立碩士班，94年成立博士班。本所成立之宗旨及教育目標在於培育符合社會所需的光電科技專業人才，本所發展目標在於實現學界對於國內產業的關懷與參與之願景，並朝向「產業知識化、知識產業化」的發展趨勢與需求邁進。近年來，本校已轉型為綜合研究型大學，依據校務整體發展計畫與本所發展策略規劃之需求，將能提供本所未來發展之參考與願景。
本所研究方向 ：
一、光電材料與元件模組
二、奈米生醫及醫學影像
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Item 氧化鉿鋯材料系統之鐵電工程以邁向新興記憶體與邏輯應用(2022) 廖俊宇; Liao, Chun-Yu鐵電氧化鉿鋯之鐵電工程為本論文主題，主要研究於記憶體及邏輯元件應用。記憶體應用方面，將討論鐵電場效應電晶體（FeFETs）可改善方向及面臨的問題，包括記憶體密度的挑戰、電荷俘獲和去極化效應以及wake-up效應。此外於電荷增加(charge boost)的發生機制中，將在反鐵電系統上採取有別一般理論的解釋方式，並提出雙向無電滯之方案。在第二章中，將使用反鐵電-正鐵電-電晶體進行兩位元的記憶體操作，其電晶體內含有四方晶向(tetragonal phase)及正交晶向(orthorhombic phase)的混合(反)鐵電向位。而四方晶向及正交晶向分別可以提供多峰矯頑場(coercive field)及殘餘極化(remnant polarization)的特性，進而得到較穩定的多位階操作及非揮發性記憶體能力。因此，利用反鐵電-正鐵電-電晶體在± 4 V的低電壓操作下，可得到多於10^5次的操作次數及在高溫環境下(65 ℃)的穩定資料儲存能力(>10^4 s)。 而為了提高記憶體資料保存穩定性的目的，在第3章節中將使用非等厚度的雙層鐵電氧化鉿鋯作為閘極堆疊結構。雙層鐵電氧化鉿鋯結構是利用一層氧化鋁的介電質材料作為隔層，分別將兩層不等厚度的氧化鉿鋯隔開，其上層及下層的鐵電氧化鉿鋯分別為5奈米及10奈米。這種設計是為了避免單斜晶向(monoclinic phase)在較厚的氧化鉿鋯中產生，以維持鐵電極化特性。此外，上層及下層的矯頑場不同，使得每一位階更加穩定及獨立，可以有效降低讀取時的錯誤率，且與單層鐵電氧化鉿鋯的閘極設計相比，可改善600倍的錯誤率。因此，雙層鐵電氧化鉿鋯作為非揮發性記憶體的多階單元並進行2位元可靠度測試時，可得到>10^5次的循環操作及>10^4秒的資料保存能力。 此外, 鐵電電晶體與三維結構技術的結合，例如:鰭式電晶體及閘極環繞電晶體，使得記憶體元件的尺寸能持續微縮至奈米等級，以增加單位面積下的記憶體單元，持續達到密度提升的目標。在第四章中，將三維的閘極環繞奈米片鐵電電晶體結構，並搭配雙層鐵電堆疊技術以作為高密度嵌入式非揮發性記憶體。而本章節中使用氮化鈦及氧化鋁兩種不同的隔層材料，其分別可對於操作電壓及記憶窗大小進行優化及改善。然而，奈米片的轉角結構使得極化方向互相抵消，產生較弱的極化區域-死區(dead zone)。而使用雙層氧化鉿鋯，外層的氧化鉿鋯有較大的曲率半徑，這可以減緩轉角效應。因此選擇TiN隔層的雙層鐵電氧化鉿鋯，可在± 3.5 V的操作電壓下，產生1.3 V的記憶窗、>10^11次卓越的操作能力及>2×10^4秒的資料保存能力。 然而，鐵電電晶體1T架構中存在寫入後讀取(read-after-write)之資料保存流失(retention loss)問題，鐵電電晶體在給予正極性的寫入電壓後，造成電荷被捕獲且殘留在氧化層與半導體層的介面，此捕獲電荷會抵消鐵電的電偶子產生的極化反應，使得臨界電壓在「寫後讀」的不穩定，造成錯誤讀取。此外，當閘極氧化層減薄後，會產生更大的去極化場，導致鐵電極化的衰退，這必須依靠給予一個閘極偏壓去抵抗去極化場，以避免極化衰退。因此，第五章將探討n型鐵電電晶體的「寫後讀」行為，並利用-1.5 V的反向極性電壓協助電荷「去捕獲」，並同時調整基準電壓，以抵抗去極化場造成的鐵電極化衰退。 在第六章中，將嘗試使用電漿增強原子層沉積系統(plasma-enhanced atomic layer doposition)進行鐵電氧化鉿鋯的薄膜優化。研究發現，使用電漿的輔助可減少氧化鉿鋯內的氧空缺(oxygen vacancy)，並使晶相形成較多的鐵電相位，避免電壓操作時的氧空缺重新排列造成的極化喚醒過程，達到免喚醒(wake-up free)的鐵電薄膜元件。另外，其可使用300 ℃的退火溫度，即形成良好的鐵電特性，以達到後段製程(BEOL)的所需的熱預算要求。負電容(negative capacitance)效應的理論根據與起源於目前尚有爭論。在過去幾年中，Landua-Ginzburg-Devonshire理論(LGD theory)被用解釋負電容現象產生的表面電荷增加。在第七章中，將使用另一解釋方式，利用反向切換(reverse switching)的概念討論電荷提升，實驗中使用AFE和AFE-DE系統來驗證反向極化切換所產生的電荷提升將會與飽和極化及殘餘極化的差有重要關係。此外，當AFE電容進行雙極性操作，可同時得到雙極性電荷提升及沒有遲滯現象的結果，此實驗結論支持了本實驗室於之前論文發表之電晶體實驗結果。Item 介電質超表面簡併臨界耦合在增強紅外光吸收之研究(2023) 黃子洋; Huang, Tzu-Yang本論文旨在利用數值模擬方法，研究半導體介電質超表面中利用簡併臨界耦合來增強其紅外（IR）光的吸收。首先，我們研究在太赫茲 (THz）頻率範圍下，利用矽（Si）介電質超表面來實現簡併臨界耦合的條件。我們的結果顯示，當亞波長矽圓柱方形陣列中的電偶極（ED）和磁偶極（MD）兩個共振模態達成簡併時，矽介電質超表面在頻率ν = 1 THz可以達到高吸收率（~ 90%）。我們利用耦合模理論來擬合超表面的吸收光譜，得到上述兩個共振模態的輻射率（γ）和耗散率 (δ），並從而驗證了當兩個共振模態達成簡併臨界耦合時，兩個模態各別的輻射率和耗損率必須滿足 γ = δ的條件。其次，我們設計了一基於砷化鎵 (GaAs) 圓柱的介電質超表面，來增強短波紅外光波段的吸收。首先，當砷化鎵未摻雜時，通過系統性地改變砷化鎵圓柱的直徑（d）和高度（h），我們成功地在波長λ~ 3.8 μm處使超表面的電偶極和磁偶極兩個共振模態達成簡併。在此特定頻率下，砷化鎵圓柱陣列可將入射光完全反射（即反射率R = 1和透射率T = 0）。 我們進而藉由摻雜在砷化鎵中引入自由載子吸收，來臨界耦合超表面中互為簡併的電偶極和磁偶極兩個共振模態。在此條件下，砷化鎵超表面的吸收率在波長λ= 3.8 μm處可達到90 %。我們在以上兩種情況下，成功證明了半導體介電質超表面的紅外光吸收確實能在遠低於半導體能隙的頻率下增強。我們預期，此利用簡併臨界耦合，達成介電質超表面在低於半導體能隙的頻率下光吸收增強的現象，將可以應用於發展包括雷射和光偵測器的新型紅外光電元件上。關鍵字: 介電質超表面、簡併臨界耦合、紅外光Item 微共振腔鈣鈦礦量子點異質接面光偵測器元件之特性探討(2023) 吳文凱; Wu, Wen-Kai本篇最初使用化學氣象沉積法製作鈣鈦礦層，將鈣鈦礦作為增益介質，結合一個P型材料氧化鎳和一個N型材料氧化鋅製作成光偵測器，並加入金屬電極銀和布拉格反射鏡形成塔米電漿結構。由於本實驗利用化學氣象沉積法製作的鈣鈦礦層無法達成COMSOL模擬所需的厚度，因此改由熱注入法來製作，將鈣鈦礦層變成量子點的型態。 熱注入法製作出的鈣鈦礦量子點彼此間有許多的不連續的邊界，因此我們利用PMMA溶液覆蓋於鈣鈦礦層上方，不但填補了鈣鈦礦量子點裡晶粒間的空缺，也可以避免上方的氧化鋅與下方的氧化鎳接觸。量測方面利用COMSOL模擬了解該結構的低反射模態位置，並使用470 nm的LED作為光訊號來源使鈣鈦礦層產生光電流，最後比較有無布拉格反射鏡對鈣鈦礦光偵測器的影響。Item 數據整合與數學運算：實現不同精度數據的無縫融合(2023) 陳儒楷; Chen, Ju-Kai本論文針對研究連續性但不同精度的數據做無縫融合，其主要是透過數據整合和數學運算技術實現了不同精度數據之間的整合，並與現有常見的方法比較，例如內插法、Cubic等，對於其運算時間、運算效果、套用模型作相對比較，本篇以主成分分析(Principal components analysis，PCA)配合支援向量機(Support Vector Machine，SVM)為例子，設計在不同情境下的模型運算與套用，是如何從而提高數據整合和分析的效率及精確度。在本研究中，我們提出的方法能夠有效地提高數據整合的精確度與減少運算時間，並且能夠適用於各種不同的數據精度。透過實驗我們發現該方法能夠有效的提高數據整合的精確度與減少運算時間，相較於其他常見方法，我們所提出的方法在各個方面都取得了更好的效果，並且能夠適用於各種不同的數據精度，本論文可以應用於各種領域，例如機械學習、大數據分析、主成分分析等，提高數據處理的效率和精確度。Item 基於鈣鈦礦薄膜之太赫茲調製器的連續體束縛態行為之研究(2023) 朱羿蓁; Chu, Yi-Chen在光學領域中，連續體束縛態調製器是一個引人注目的研究方向。透過對共振腔結構進行調變，我們可以探索新的束縛態位置並調整光場的分布，從而實現對光學信號的高度控制。然而，目前對於連續體束縛態調製器的理解還相對有限，尤其是在鈣鈦礦材料方面的應用尚未深入研究。本論文旨在通過在共振腔上鋪設鈣鈦礦薄膜，尋找新的連續體束縛態調製位置並探討其對共振模態的調節效果，也研究了不同鋪蓋方式和材料參數調節對共振模態的影響。這些結果為光學器件的設計和性能優化提供了重要的指導。未來的研究可以進一步探索不同材料參數的調節效果，並優化連續體束縛態調製器的設計，以提高其性能和應用範圍。同時，也可以考慮研究共振腔中其他材料的影響，以擴展連續體束縛態調製器在不同領域的應用潛力，通過對連續體束縛態調製器的探索，以及鈣鈦礦材料的應用，為我們理解光場控制和光學器件設計提供了新的思路和研究方向。Item 乾轉移石墨烯電極鈣鈦礦量子點塔米共振腔發光二極體之研究(2023) 陳爰伶; Chen, Yuan-LingTamm plasma RCLED是一種將塔米電漿(Tamm plasmon)結構應用於共振腔發光二極體(Resonant Cavity Light Emitting Diode, RCLED)中的發光元件。通過在共振腔中引入塔米電漿結構，可以改變光的發射特性和增強發光效率。本篇論文藉由設計布拉格反射鏡(Distributed Bragg mirror, DBR)和金屬反射鏡形成共振模態波段為530nm的共振腔發光二極體。利用塔米電漿由金屬層和介電質層之間形成的強電場區域進行高效率的光電轉換，當金屬和單層石墨烯作為電極施加電壓時，載子會在主動層鈣鈦礦量子點中進行複合並產生發光，也因塔米電漿的微腔結構可以將發光的光子反射回共振腔中，增強光子的循環和調製從而大大提升發光的效率。Item 鐵電電容式記憶體特性及研究(2023) 曾涵楨; Tseng, Han-Chen鐵電材料是一種具有雙穩態特性的材料，在電場的作用下能夠產生持久的極化狀態，也能夠在無外部電場的情況下保持所極化的狀態，並即在不同的極化狀態之間切換。這種特性使得鐵電材料成為理想的記憶體元件，可以實現高密度、非揮發性的數據存儲，使其廣泛應用於記憶體中。本研究選擇摻雜不同鋯濃度的氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2, HZO)作為鐵電材料，並對其特性進行了深入研究和應用。鐵電電容式記憶體（Ferroelectric Capacitive Memory, FCM）主要分為累積式FCM和反轉式FCM，同時都有低功耗、快速的寫入速度、長時間保持性和耐久度等優點，並應用於類神經運算。通過TCAD模擬的結果，觀察到反轉型FCM施加負偏壓時，n+摻雜區產生帶對帶穿隧效應。製作不同鐵電層濃度和結構的FCM元件，結果顯示MPB( Morphotropic Phase Boundary) SL(superlattice)-HZO具有較高的開關比，並且在保持度和耐久度量測中表現出更優異的性能，具有對稱性| αp - αd | = 0.03 ~ 0.35的深度學習操作，展現成為類神經突觸元件的能力。Item 反射式太赫茲光譜於多頻感測器與化合物半導體光電特性量測之應用(2023) 陳裕昇; Chen, Yu-sheng近年來太赫茲的研究非常興盛，太赫茲時域光譜(THz-TDS)因具有非接觸和非破壞性等優點，被廣泛的應用在各種材料量測上，但是對於一些高摻雜的化合物半導體以及超材料吸收器等光無法穿透的材料，反射式的系統就顯得相當重要。於是我們利用反射式太赫茲時域光譜(THz-TDRS)量測高摻雜化合物半導體的複數折射率以及電導率，並利用Drude-Smith model來擬合電導率，求出材料的電漿頻率與載子散射時間，並用這兩個參數得到材料的載子濃度與載子遷移率。我們還設計了一種可以用於反射式太赫茲時域光譜量測的超材料，近年來超材料因其卓越調製太赫茲的能力而備受關注，但由於其晶胞尺寸大小的關係，使得太赫茲超材料受到傳統微奈米製程的限制，傳統的製程有著步驟繁瑣、耗時以和昂貴的設備等問題，為了克服這些困難，我們提出了一種基於3D列印設計的太赫茲超材料感測器，並利用簡單的雙狹縫設計達到多頻感測器的功能，我們利用有限元素法模擬了超材料的吸收頻譜、電磁場的分佈還有對於血液成分的感測能力，並且說明了元件製程的可能性。本論文主要分為兩個部分，第一個部分主要為第三代半導體的光電特性量測，第二部分為基於3D列印的超材料感測器模擬。Item 可模組擴充的電池爐之探究(2023) 林宸光; Lin, Chen-Kuang自製可模組擴充的電池爐之整體架構，包含高穿透導熱材料、電子電路、可充放電的21700鋰電池模組，和可擴充的奈米碳電熱陶磁管爐體。奈米碳電熱陶磁管的紅外線因其穿透特性，不需熱傳介質，有著良好的熱效應，且其本身具有極高的熱電轉換效率，可以節省大量功耗，是值得選用的熱電元件。本論文可擴充電池爐中的單體爐使用透過凹槽實驗所得到最佳增大紅外線管發熱範圍之模具進行製作能大幅增大我們的發熱範圍。自製與市售各式電爐進行烹飪結果的比較，透過固定重量的液體混固形物、相同的鍋具、並在相等瓦數下烹煮，透過紅外線熱像儀成像和熱電耦量測數值可得,自製可模組擴充的電池爐烹煮效果比起市售電爐是相等或更勝一籌的結果。Item 穿隧式接面薄膜於磁場感測影像系統之開發與研究(2023) 曾川澤; Tseng, Chuan-Ze量測未爆彈常用系統TEM(Time domain electromagnetics)，其體積由於過大所以量測便利性不高，本實驗藉由TMR之特性設計一系統，並嘗試改進TEM系統之缺陷。本實驗於電磁波屏蔽室內進行實驗，量測調製線圈磁場以及電流之關係，並接續量測TMR電壓對應不同磁場之關係，用以得到磁場大小，便接續探討TMR驅動呈現性特性所需之調製場，尋找最低驅動條件來驅動TMR，使其運作，量測方式則是採用被動方式偵測鐵磁性物質，並無給予激發場。在訊號端，藉由Filter將激發頻率濾除，並以DAQ接收MTJ訊號。掃描端則使用三維步進馬達來移動樣品進行掃描，以取得訊號源分布圖，並帶入實驗數據，使用模擬軟體進行演算，最後用線性擬合的方式進行數據比對。感測器本身輸出數值為電壓，所以藉由得到線圈電流磁場轉換比0.49162 mT/A並在得到感測器電壓磁場轉換比3.00311 V/mT，即可得到電壓轉換磁場數值，在這之後，藉由掃描背景雜訊數值得到靈敏度為〖10〗^(-5) mT以及背景雜訊最大值最小值差異為2.06E-04 mT，以此為標準，再量測1.4177 mT、彈徑105 mm的未爆彈情況下可深達1.1 m，並從量測待測物偶極矩比對模擬偶極矩數值來看，相差了大約1.5倍左右，但此結果來看是合理的，由於待測偶極矩為一具有體積之物體，所以大於模擬為正常，而結論而言，此系統具有一定程度之發展性。