1. 姓名：洪勝富　Sheng-fu Horng
2. 單位：國立清華大學電機系/電子工程研究所
3. 現職：副教授
4. 學歷

5. 經歷

6. 學術專長領域：

超快光電子學、兆赫輻射波技術、分子束磊晶成長、低維半導體物理元件、半導體表面物理

7. 現任職期間教學工作：

曾獲清華大學八十五年度傑出教學獎。

授課紀錄與歷年開課情形 與 教學意見調查結果一覽表

*八三年度下學期後 學校採取新的調查表格

教材編寫

各科目皆編有教學講義，近代物理部分內容已上網。

教學理念

敝人在各科目之教學中均盡力針對各種程度學生之需求，補充各種相關資料，以引起學生興趣，並使獲得明確的觀念。所有講義均自行編撰，皆著重基礎的推導證明及物理圖像的了解。數年來各科目教學評鑑及學生反應屬滿意，八十五年度，並曾獲得學校傑出教學獎。以下茲就申請人教學之理念與所遵循之原則，作一簡述。

• 綱舉目張、連貫重複：

對各科目均整理教授內容，務求由最基本的幾個原理連貫的推展出出全書內容。

如在工程數學一一課中，由之微分算子等式，可推展出一階微分方程的積分因子法、常係數高階微分方程的山邊算子法、Fourier transform、Laplace transform、Sturm-Liouville theory/eigenfunction expansion、Green’s function等。以這些少數的基本原理推出全體或大部分課程之內容，可使學生對整體內容有一連貫了解，也便於引起他們對課程的興趣。

• 比對聯想、激發創意：

提供除主要參照課本外之另類觀點，裨使能對各種觀點皆有認識。從不同觀點來看問題，更能對同一內容有更深刻的了解。

如在近代物理一課中，除教授傳統量子力學正則量化等之推展方式外，敝人在課中由物理實驗觀點出發推展出波函數之必要性與其性質，由動量與位置量測之波函數推展各種與古典物理量測相隊之算子，再進而找出正則量化之規則。藉由這些不同的推展觀點，學生更可進一步的了解古典物理與量子物理真正之不同點。

• 掌握基本、因才教授：

對所教授的每一課程，除均對基本原理條列清楚，對考試等考核所需之最基本內容均清楚定義外，對課中所提及內容之推展及其在各方面之應用，也多加描述。

如Fourier分析推展至正交函數展開以致於Sturm-Liouville理論及其在信號處理等頻域分析，正交函數展開之用於量子力學上，或量子力學等在固態物理中之應用等，均廣泛說明，使程度較遲緩之學生，可以掌握最基本的課程綱要，而進度較快之學生，亦可因所談的應用等而受益，且不致覺得無趣。

除上面三點外，敝人對所教各課程內容發展之歷史等，都盡可能追尋並予以詳述，這對於各種定義的來源，頗有助益。同時，我亦特別強調物理及圖像觀念，這對學生之直覺判斷，也甚有幫助。

我最感欣慰之事是常有以前上過我課程的學生，來找我討論問題，甚至在畢業後返校也常來找我聊天。在我教學的過程中，這應該是我最感愉快的事。

1. 指導學生紀錄

博士班部分

碩士班部分

近三年系統實習部分

1. 研究工作及進修

1. 各時期研究工作概述

研究工作摘要

各時期研究狀況簡述:

攻讀博士時期之研究工作(1986~1992)

自1986年九月至1992年六月，申請者於美New Jersey州之Princeton 大學電機系攻讀博士學位，博士論文工作之主要內容為探討GaAs III-V化合物半導體與Sr_xCa_1-xF₂ 氟化物絕緣體異質界面結構之成長，物理特性，及應用。敝人自行設計、建立了一個超高真空的分子束磊晶系統，並對所成長GaAs / Sr_xCa_1-xF₂ 及GaAs / Sr_xCa_1-xF₂ /GaAs異質結構進行各種分析研究，分析之方法包括Auger電子光譜、同步輻射紫外光電子光譜、拉塞福反向散射光譜(Rutherford Backscattering，RBS)、X光分析、低能電子繞射(low-electron energy diffraction， LEED)、高能電子散射、表面電子顯微鏡電子穿隧圖譜(electron channeling pattern)等。為定量分析低能電子繞射資料以確定表片原子結構，敝人也從事動態低能電子繞射等之計算，因此對固態以及原子分子等能階之計算，也獲得實際工作之經驗。敝人博士論文工作之最主要貢獻在於發現氟化物與III-V半導體之成長限制機制，由LEED分析得知，因氟化物在在[111]面無電偶極能量最低，因此在(100)面成長氟化物時，其表面形成金字塔狀之微結構，而由各(111)小面上所成核成長的GaAs，因晶格對稱與氟化物不同，在晶格結構上卻無法相合，因此此非平坦之表面結構嚴重影響於其上成長之III-V半導體品質。又由光電子光譜得知，氟化物與As之鍵結有利於砷化鎵於氟化物上之成長，因此本人提出在成長之初期於As氣中使用電子束掃描氟化物以平坦化其表面，並增強III-V半導體與氟化物之鍵結。由此法可使所成長III-V半導體品質大幅改善，代表成長品質之RBS　由26%降至約6%，於其上所成長GaAs已可用於電子元件之用途。據敝人所知，此種以電子束掃描改進樣品成長的方法，於文獻上，應是敝人所第一個提出。敝人於這數年的研究中學習到了真空系統之設計與操作實務、各種表面、薄膜、與材料分析方法、半導體與絕緣體之表面與成長特性，以及如何將課堂所學習的量子力學用到實際計算中。必人在此時期及回清華初之論文發表(包括5篇 J. Vac. Sci. Technol., 1篇 Phys. Rev. Lett., 1篇Phys. Rev. B, 1篇Appl. Surf. Sci., 1篇Mat. Sci. Engr. and 1篇 J. Electr. Mat.)皆與此相關，期中Phys. Rev. Lett. 及Phys. Rev. B論文中LEED部分皆為敝人之工作。

返回清華任職後之研究工作(1992~至今)

敝人於1992年八月至本系任職，原擬於本校材料中心之分子束磊晶系統，繼續從事相關低維半導體成長與研究之工作，但當年材料中心亦另聘專人管理該分子束磊晶系統。由於各種使用上的限制，只能以付費方式偶而為之。同時各種相關的量測設備也都不具備。自九四年起，乃決定改變過去於半導體分子束磊晶成長方面之工作，而投入於應用超短脈衝雷射以分析半導體及超導體等超快光電子學方面之研究，配合當時的半導體整合計劃，向國科會申請採購一超短脈衝雷射，並利用當時材料中心已有的氬離子雷射(此雷射是黃惠良教授及施宙聰教授等由國防發展基金爭取採購而來)作為激發雷射，從零開始，逐步製作設立起超快光電子學方面的各種相關研究技術。

敝人之所以選擇之前完全未接觸及的超快光電子學為研究的重點，原因在於它在中長期未來的潛力及豐富的物理內涵。純電子技術由於各種寄生的電阻電容等效應，整體頻率鮮少能超過一、二百GHz。從設計的觀點來說，為避免在操作頻率附近的共振，對個別元件的量測頻譜通常也須擴展到操作頻率的兩至三倍以上。因此雖然現在一般頻譜的使用尚未達到此一頻頸，但頻譜的擁擠在中長期的將來勢必將會面臨這問題。利用光電技術卻可以突破這個頻頸，光脈衝可以簡單的壓縮到數十fs (fs: 10^-15 sec)，極高的光速使得兩光脈衝間相對的相對延遲控制相當容易，因此利用光電量測技術，可以有效的將時域擴展到ps (10^-12 sec)以下，在頻譜上也即是數百GHz以上的次毫米波段。從科學的觀點來看，元件與材料的瞬時反應也擁有許多豐富的內涵，次毫米波段更含有各種分子轉動共振頻率、半導體參雜束縛能、超導體能隙等許多有趣的能階，因此在物理系統研究、遙測、醫學影像、軍事等方面皆有極大的潛力，這些都是十分值得卻尚未探討的。

敝人由最基礎開始，發展所需的技術及元件，歷經近兩年終於完成所有實驗設置，逐步建立了一超快脈衝雷射實驗室，並自一九九五年開始有研討會及期刊論文發表。有關於超快光電量測之理論、技術與此方面國內外研究現狀，受中國物理學會邀請，敝人在該學會的月刊上做了一簡短的介紹(請詳見敝人論文發表目錄)。除此外，在此時期亦完成改裝增加所擁有一電子顯微鏡為電子束微影的用途。目前主要的研究課題有:

1. 半導體及超導體材料及元件之瞬時光反應，由這些反應，可以了解這些材料的極快速反應，以及應用這些材料元件於
2. 產生脈衝寬在ps量級以下的電脈衝以作為超快元件及材料電特性之分析，
3. 以短脈衝雷射激發產生次毫米波，即所謂兆赫輻射波(terahertz generation)，以及它們在材料元件分析等方面的應用。
4. 以混波方式產生高穩定度與同調性之連續次毫米波，以提供無線電天文及光譜研究。
5. 藍光材料及矽耐米顆粒之光性與物理。

以下茲就敝人在光電方面目前已獲致許多有趣結果，分列簡述如下：

在材料瞬時反應方面：

1. 低溫成長砷化鎵是在大約200左右成長的砷化鎵半導體，由於低溫成長的關係，它含有過多的砷缺陷，因此具有非常短的光激載子生命期，且在加熱退火後仍具有相當高的載子移動率，高載子移動率提高電極對光激載子的收集效率，且因為它的成長過程與一般III-V半導體匹配，因此低溫成長砷化鎵是超快光電子學一種十分重要的材料。一般量測低溫成長砷化鎵的載子生命期都是使用一種叫做激發-探測(pump-probe)的技術，即使用一短脈衝去激發光激載子，這些光激載子改變了材料的吸收及折射率，然後以另一延遲的探測光脈衝去量測此一改變，便可決定材料各個時間光激載子的數量，進而決定這些載子的生命期。但一般量測通常僅在一波長進行，波長如何影響量測的結果，從未被有系統的研究過。我們有系統的的研究在各波長LT-GaAs的瞬時光反射行為，我們發現它與成長溫度、退火情形、以及雷射光之波長皆有強烈關係。我們並發現這些複雜的的光反射行為乃由於熱載子鬆弛、載子被缺陷捕捉、以及一由As點缺陷造成的光吸收增強現象混合作用的結果。我們提出一個三分量模型，由此我們可解釋所有波長下 LT-GaAs 之光反射行為 並求得真正材料的光激載子壽命,我們獨立的瞬時光穿透量測(time-resolved photo-transmittance) 及光導反應(photoconductive response)的的研究亦支持我們前面所提出的模型。就我們所知，我們所提出的三分量模型是文獻上第一個可定量解釋在LT-GaAs上此瞬時光反應與雷射波長關係的模型。此部分發表於J. S. Yu, H. C. Ho, S. F. Horng, and C. C. Chi, Spectral Dependence of Time-Resolved Photoreflectance of Low-Temperature-Grown GaAs, Jpn. J. Appl. Phys.,vol. 36, pt. 1, 4A , pp2144-2150 (1997 )以及其他8篇研討會論文(請參考敝人著作目錄) 。目前尚有兩篇相關期刊文章送審中。此文章說明，只取一波長以量測光激載子壽命是不可靠的，尤其當光子能量大於能隙時尤然。
2. 延續上一篇文章，我們透過瞬時光反射與瞬時光導之研究，發現只要由三分量中之快速正分量，扣除熱載子效應，即可準確的求得光激載子壽命。此部份發表於J. S. Yu, S. F. Horng, and C. C. Chi, Well Above Bandgap Transient Photoreflectance Characterization of Low-Temperature-Grown GaAs, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 37, No. 2, pt. 1, pp.554-559, 1998.。在文獻上我們證明由此方式可以得到與獨立光導量測相同的載子生命期。本文是第一次提出如何由大光子能量之光反射準確的求出光激載子壽命。此文亦解釋為何瞬時光反射與波長有如此大之關係。
3. 我們比較LT-GaAs在短波長與近能帶邊隙波長之光反射行為，我們發現利用三分量淬取法，由兩者所得到的載子生命期是一致的。此部份目前投稿於J. Optics and Quantum Electronics，已獲接受。
4. 延續前面之研究，我們量測各波長LT-GaAs光穿透，發現光穿透只顯示兩分量，而其正分量則與光反射者同，利用三分量法所得載子生命期在誤差範圍內與光反射吻合，此將投稿於Appl. Phys. Lett.。
5. 又研究不同程度退火之LT-GaAs, 我們驚奇的發現其光激載子壽命先降方才增加，我們推測這是由於砷沉澱與砷點缺陷共同作用的關係。此部份將投稿於 Jpn. J. Appl. Phys.。
6. 我們以光反射及兆赫波研究成長於藍寶石上之低溫成長砷化鎵，發現此物質具有非常高之崩潰電壓，此已發表於 EDMS 會議，並將投稿於J. Appl. Phys.。
7. 我們亦利用相同的研究辦法探討其他材料，如 (1) 以Si佈植的Si,此部份與交大荊鳳得教授合作合作，已發表於 A. Chin, K. Lee, B. C. Lin, and S. Horng, Picosecond photoresponse of carriers in Si ion-implanted Si, Appl. Phys. Lett. 69, 653, 1996及 1996 Electronic Materials Conference; (2) 砷離子佈植之 GaAs, 此部份結果已發表 1996 IEDMS (3) 目前尚有 ZnSe 及 GaN 超快特性之探討。

1. 我們在LT-GaAs上製作光致電導閥(photoconductive switch)，亦即在加偏壓的傳輸線上以光脈衝激發，以產生超短電脈衝。我們目前可產生次皮秒級的電脈衝,我們並製作microshield lines, 研究電脈衝在其上的傳播情形。關於我們製作的光致電導閥，當外加高電壓時所產生的緩慢下降，我們經由比較研究與模擬分析，發現一文獻上未提及的成因，亦即在長載子生命期半導體基座內所產生的光激載子會給予一位移電流的貢獻，我們由此發現將基底除去即可除去此一緩慢下降，此更證明我們的模型，此一部份結果已發表於J. S. Yu, Y. S. Chang, J. N. Chen, T. R. Tsai, S. F. Horng, and C. C. Chi, Substrate Engineering of Picosecond Photoconductive Switches Based on Low-Temperature-Grown GaAs, J. Chinese Institute of Electrical Engineering, vol. 4, No. 3, pp 185-192 (1997) 及1996 IEDMS 等。
2. 一般以光激發光致電導閥或光偵測器，皆以所謂的對稱激發，亦即光照滿整個間隙，或以所謂的非對稱激發，亦即光照射於接近正偏壓電極的小區域，以利用正電極附近的高電場。我們發現一種新的幾乎覆蓋對稱型非均勻照射激發電脈衝方式，可產生強烈且超短之脈衝。我們目前得到的電脈衝寬小至187 fs，此為文獻上之最快者。此部份於1999年度Denver舉行之SPIE terahertz and Gigahertz Photonics會議中發表，目前並已投稿於Appl. Phys. Lett.。利用此原理，我們將申請一新型的超快金屬-半導體-金屬光偵測器專利。

在兆赫波輻射方面：

1. 我們完成量測系統及低溫系統的建立。並已完成(1)各種發射器天線結構的兆赫波輻射效率比較、(2) 各種材料兆赫輻射穿透特性比較、(3) 光電取樣及兆赫波空間分佈等，此三者已發表於研討會(請見研討會論文)。
2. 我們並研究兆赫波光譜量測,我們發現利用光電偵測技術，兆赫波之空間分布會影響其時間上之反應，此部份目前已投稿於 Jpn. J. Appl. Phys.。
3. 我們也利用兆赫波光譜研究YBCO高溫超導體在次毫米波段之表面電導，並與超導之理論比較，獲致相當的吻合，此部份已發表於今年度之Taiwan國際超導會議，並將投稿於期刊。

在量子元件計算與量測方面:

除前與黃惠良教授合作之量子線製作與量測外，我們並發展了一個二維系統真實多能帶計算方法，可用以研究二維系統之電子結構、兆赫特性、及各種如電場、磁場、及應力等之效應。此部份已獲Jpn. J. Appl. Phys.接受發表。另外，我們並完成一光激輝光與光激輝光激發(photoluminescence and photoluminescence excitation, PL and PLE)量測系統之設立，以研究低維元件的電子結構。

其他方面之研究:

申請人與徐清祥教授合作，我們研究si-rich oxide 的光學特性研究，發現si-rich oxide 發光特性受其顆粒大小所表現之量子拘束效應所主導，此部份發表於C.S. Lin, C. J, Lin, P. Y. Kuei, S. F. Horng, C. C. H. Hsu, and M. C. Liaw, Quantum Size Effects in Photoluminescence from Si nanocrystals in PECVD Si-Rich-Oxide, Appl. Surf. Sci., 113/114, 116-120 (1997)。延續此一研究，我們亦與彭宗平教授合作，以蒸鍍法製作Si nano-crystal，發現它可發出藍光，且與環境之氣體種類有強烈關係，此部份已投稿Appl. Phys. Lett.。

最後，在實驗設備方面並已完成改裝電子束為影系統的安裝，可用以製作超微元件等，與中研院天文所錢志聰博士合作，我們以自己改裝的電子束微影系統製作次毫米間隙的220GHz超導熱電子焦電混頻器，此部份發表於European Applied Superconductivity Conference EUCAS-99。

1. 中長期研究工作之展望

去年度申請人與物理系齊正中教授加入理學院追求卓越計劃的申請，目前並已確定獲得設備方面一千萬元的經費補助，將採購一套短脈衝雷射放大系統，可將目前雷射脈衝的能量提高一百萬倍，不但原先兆赫波的研究工作將可更為擴展於材料元件、醫學影像，生物化學等方面，在一般瞬時光反應的研究上也可擴及更長的頻譜。申請人對未來之研究工作深感樂觀。

1. 研究計劃紀錄

申請人截至目前為止共參加十七個研究計劃，其中七個為主持人，九個為共同主持人，一個為協同主持人(國防發展展基金計劃只有主持人與協同主持人，其中主持人需為中心主任。) 在這些計劃中，半導體部分及部分超導體之研究皆由申請人執行。申請人今年度與物理系齊正中教授加入物理系追求卓越計劃，已確定化得一千萬儀器設備費用之補助，將採購一脈衝功率比敝人現有儀器大一百萬倍之雷射，更深入之研究，應可預期。

服務工作紀錄

校內部分：

• 81年八月赴南一中返校宣傳，82年赴建國中學返校宣傳。
• 83年度固態物理組學域代表。
• 84、85年度圖書委員。
• 85, 86 年度 擔任工程三館無塵室負責老師:完成化學藥品儲存、廢液處理設施及處理安排。
• 85、86、87年度擔任學生事務委員。
• 88年度起環保與實驗室安全委員。
• 86年度擔任工學院學生申訴委員，88年度起擔任電機資訊學院學生申訴委員。
• 86年度固態組召集人。
• 87年度擔任電機系諮商導師，88年度擔任電子所諮商導師。
• 自88年度起課程委員。
• 各年度均擔任碩士班入學考命題委員、監試委員。
• 各年度均參予博士班資格考出題。
• 多次參予大學部、碩士班入學甄試口試、及博士班入學口試。
• 多次參予暑期課程教師評選。

校外部分：

• 中華民國電子材料與元件協會發起人。

• 執行委員會委員，1994 7^th International Conference on Solid Films and Surfaces, (一九九四年第七屆國際固態薄膜與表面會議)。

• 83年度大學聯考新竹考區第一分區主試委員。
• 擔任85年度考選部電磁學題庫出題委員。
• 擔任85年度勞委會職訓局光電系統操作及維護技士技能檢定學科、術科命題委員。
• 擔任1996年IEDMS總務委員。
• 擔任1996年第十四屆光譜技術與表面物裡研討會新竹區聯絡人。梅山 啞口,July 20-22, 1996。
• 自1995年度起，擔任國科會專利申請評審委員。
• 自1997年度起，擔任國科會光電小組光電互聯計劃計劃評審委員。
• 2000年四月，國科會光電小組非直接能隙半導體發光研究計劃評審委員。
• 幾乎各年度均任交通大學、台灣大學、中山大學等碩士與博士論文口試委員。

1. 學術活動紀錄

參與學術團體

• Member, International Society for Optical Engineering (SPIE) ( 國際光電工程學會)。
• Member, Chinese Physical Society, ROC (中華民國物理學會)。
• Member, Electronics Devices and Materials Association (EDMA), ROC (中華民國電子材料及元件協會)。
• Student Member, American Vacuum Society (1987-1992)。
• Student Member, American Physical Society (1987-1992)。
• Student Member, IEEE Laser and Electro-Optics Society (1987-1992)。