現今科技發展中，光電科技應用涵蓋各重要範疇，如光纖通訊、
光顯示、光資訊儲存、高效率照明及生物醫學等方面的應用。隨著科 技的進步，在矽基板上整合CMOS電路與光電主被動元件成為光電系統 晶片已是未來的潮流，如圖1-1所示，此類的晶片可應用在通訊、生 醫偵測、環境監控等領域。現行的光電系統晶片約略可分成三部分：
光源、光波導及光偵測元件。因為矽本身為間接能隙的材料，作為發 光光源並沒有效率，然而發展光波導與光偵測器元件仍可獲得極佳的 效率。文獻上也可見許多報導，因此大部分的半導體光源多是採用如 砷化鎵（GaAs）等III-V族化合物作為材料。
圖1-1 當雷射發射與接收電路都與CPU等矽晶片光子元件整合在
一般的矽晶片上，如此一顆晶片便可應用在通訊、生醫偵測、
環境監控等許多領域[1]
試圖讓矽發光一直是長遠的目標，2004年秋天，UCLA 教授Bahram Jalali的團隊拔全球頭籌首次讓矽發出雷射；2005年二月，英特爾光 子科技實驗室利用拉曼效應使矽雷射從脈衝雷射成為連續雷射，突破 了以往受制矽基雷射光源的不穩定性，但離矽光子晶片整合的目標還 需克服許多問題，如能發展矽基為主的半導體光源，即可利用現有價 廉的CMOS製造技術，取代III-V族發光元件與矽基板wafer bonding 的製程，節省量產成本，另一方面，當光子及微電子元件整合在同一 個矽基底上，光電系統晶片在訊號的運算處理上將更快更有效率。
過去關於利用光子晶體以增加出光效率的研究已累積相當大量 而臻於成熟，由於電磁波相位週期性的本質，使得週期性結構成為關 鍵要素，經由微觀的材料成長與製程，製作幾何尺寸與波長相近之元 件結構，來達到控制調變光訊號的目標。一維的光子晶體早已廣泛地 用在許多光電元件上,例如光纖中的布拉格光柵, 垂直共振腔面射型 雷射中的布拉格反射鏡(DBR),及分布回授雷射(DFB Laser)等,如果 光子晶體週期性的排列中有一些瑕疵,會對原本被阻擋的電磁波波段 產生一些可穿透的通道,二維光子晶體中的點缺陷可以侷限光子以形 成高Q值的共振腔或濾波器,進一步線缺陷則可用以做光波導用,整合 這些以二維光子晶體為主的主動及被動元件可形成極小且多功能的 光子電路,近幾年來文獻中可見二維光子晶體的奈米共振腔已可達到 極高的Q值,而這些量測到的Q值(單位光週期所儲存之能量與消耗之 功率之比值)顯示出光子晶體共振腔可提供極佳且三維的光子侷限, 為前瞻性光電元件的基礎，圖1-2為近年來二維光子晶體發展的簡圖 [2]，上下由空氣包圍發光層,在發光層上的光子晶體,藉由不具空氣 孔洞的缺陷區域來形成光子晶體雷射的微共振腔,平面方向的侷限主 要是由光子晶體光能隙的效應所提供,在垂直方向的侷限則是由發光 材料層與空氣間折射率差所造成的全反射作用所提供，其Q值已達到 數百萬等級。光子晶體可以針對不同光波長以及所需的光能帶關係來 個別設計製作，因此具有非常大的彈性與無限的可能性可應用於許多
光電元件，包括：微小化低電流的半導體雷射、可調放射波長且高效 率的發光二極體、高效率光放大器、低耗損的彎曲波導、微腔振盪器、
可調式窄波通光柵等等。以光波導來說，傳統積體光學所製作之波 導，其彎曲的角度通常很小，但光子晶體組成的光波導利用光子能隙 使光過不去，如果引入缺陷，破壞晶體結構的週期性，造成在光子能 帶隙中產生了光缺陷模態帶，可以控制光波在缺陷模態能帶的傳輸，
能以90°（甚至可達120°以上）大轉彎的光學波導中轉彎，在極短距 離內控制光進行的方向，亦能在空氣中傳播，也可以做分光、轉彎、
耦合等動作，而且只有少量的能量損失於光波導中。
為了實現矽基半導體光源，可以從兩方面來著手，一. 利用高內 部量子效率的奈米矽晶材料作為發光層，如奈米矽晶結構或量子侷限 效應可以增加內部量子效率並控制出光頻譜範圍，藉由高度均勻的量 子點來增加特定發光波長效率，也可以利用對量子點的操控性，調整 工作的波長，二為利用光子晶體優異控制光的能力來提昇出光效率。
圖1-2 二維光子晶體共振腔的Q值在過去7年中 有穩定的成長，插圖為奈米腔的SEM照片
近年來受到世界上研究者矚目的光子晶體可以提供新型光電元件的 製作，尤其重要的是可以大幅縮小元件的體積，並密集的積成、降低 製作成本避免昂貴的元件成本成為阻礙，在這方面光子晶體將對光電 技術發展產生革命性的影響。
1-2 動機
文獻方面利用光子晶體結構設計搭配量子點結構發展矽光源，
2006年Stanford University發表一篇以富矽氮化矽當發光材料，如 圖1-3所示，單純利用二維光子晶體點缺陷結構使得光激發螢光發光 強度達到4.5倍的改善，證實矽半導體光源的可行性[3] 。為發展矽 基半導體光源，我們將利用矽基奈米微晶搭配光子晶體來改善內外部 的出光效率，利用實驗量測出光頻譜來歸納光子晶體影響出光的眾多 因素，搭配模擬的假設利用出光頻譜以驗證，進而增加模擬對於出光 頻譜預測的可靠性，幫助對於發展矽基半導體光源出光做進一步探 討。
圖1-3 2006年Stanford University發表利用富矽氮化矽發光材料 搭配二維光子晶體結構達到光激發螢光發光強度7倍的改善
參考文獻
[1] Digitalhome月刊95年8月號(圖片來源：Intel)
[2] Benisty, H.; Lourtioz, J.-M.; Chelnokov, A.; Combrie, S.;
Checoury, X. “Recent advances toward optical devices in semiconductor-based photonic crystals＂Proceedings of the IEEE 94,997 (2006).
[3] Maria Makarova, Jelena Vuckovic, Hiroyuki Sanda, and Yoshio Nishi,