Professor Jr-Hau He

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 何志浩教授

Transparent memory

Transparent electronics is an emerging technology employing “invisible” electronic circuitry and optoelectronic devices, such as building-integrated photovoltaics and touch panel displays. In view of the integration toward see-through electronics, transparent non-volatile memory devices are indispensable and still deficient. Recently, in Jr-Hau He’s lab, they fabricated ZnO transparent resistance random access memory (TRRAM) devices employing atomic layered graphene at the surface of ZnO exhibiting not only excellent transparency (less than 2% absorptance by graphene) but also stable resistive switching characteristics. The obtained insights show guidelines not only for TRRAM device design and optimization against the undesired switching parameter variations but also for developing practically useful applications of graphene. The researcher presented their work in Proceeding of the IEEE. More details can be found in the article, “Fully transparent resistive memory employing graphene electrodes for eliminating undesired surface effects,” Proc. IEEE 101, 1732–1739 (2013).

Above-11%-Efficiency Omnidirectional Hybrid Solar Cells

Hierarchical structures consisting of micropyramids and nanowires are used in Si/PEDOT:PSS hybrid solar cells to achieve a power conversion efficiency (PCE) up to 11.48% with excellent omnidirectionality, which is the highest PCE among all the reported Si/organic hybrid cells. The hierarchical-structured device properly designed by Dr. He’s team paves a promising way for developing low-cost, high-efficiency, and omnidirectional solar applications in the future.

Additional information can be found in the journal Nano Letters (J.H. He et al., “Above-11%-Efficiency Organic–Inorganic Hybrid Solar Cells with Omnidirectional Harvesting Characteristics by Employing Hierarchical Photon Trapping Structures,” Nano Lett. (Published online) (DOI: nl401540h))

姓名：蔡明容   指导教授：孙启光教授

摘要

倍频显微术已经被证实在活体健康皮肤上具有极佳的穿透度、空间分辨率和极低的光破坏的特性。本论文进一步的利用倍频显微术，来探讨其应用在口腔癌和皮肤癌的诊断能力。我们确立了倍频显微术应用在活体口腔的影像能力并且得到口腔鳞状细胞癌的倍频影像，并且使用和病理特征相同的标准去分辨癌化和正常组织的不同。在皮肤研究方面，依据传统的病理标准，我们建立了诊断不同色素性病灶的倍频影像特征，并且得到很高的敏感性与特异性。 图一、临床倍频显微镜 图二、口腔癌倍频影像（Image size: 180 mm×180 mm）

论文题目：极化导致氮化铟镓/氮化镓奈米柱发光二极管数组的光学特性

姓名：陈两仪   指导教授：黄建璋教授

摘要

直接宽能隙化合物半导体氮化镓在固态照明的领域已经被广泛的研究。然而，低的光萃取效率(extraction efficiency)是高功率固态照明发光二极管的瓶颈。再者，氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)量子井(quantum-well)通常会承受由于晶格不匹配(lattice mismatch)产生的应力(strain)造成的内建电场(built-in electric field)。这个内建电场会导致电子电洞之间的波函数重迭下降，而产生较低的内部量子效益。 奈米柱结构不仅可以释放因为晶格不匹配造成的应力，也因为具有较高的面积体积比而有更高的光萃取效率。因此，我们开始研究氮化镓奈米结构的组件。氮化镓的奈米柱结构也同样被广泛的研究，但是大多数的研究仅局限于材料特性。制作奈米柱发光二极管的制程困难，特别是高逆向电流的议题。 我们发展了一个稳定的制程来制作氮化铟镓/氮化镓奈米柱发光二极管数组。钝化层(passivation layer)和研磨的制程被结合应用在制作奈米柱结构上的p型电极。我们的奈米柱结构发光二极管的逆向电流在-5伏特只有奈安培(nA)等级。 我们应用拉曼光谱(Raman spectroscopy)来观察奈米柱结构的应变释放。与拉曼波数以及应变相关的公式被应用来估计氮化铟镓量子井内的应变。 我们更进一步发现，不同钝化层材料的选择会造成不同的应力存在于氮化铟镓/氮化镓量子井里，而发光的特性也因此受到改变。这个结果经过拉曼光谱的检测来了解不同钝化层的应力并藉由理论计算来得知应力对能隙和极化的压电电场的影响。 在最后，我们也探讨奈米柱结构发光二极管的效率下降效应。我们的模拟和量测不只考虑量子效益，而且也考虑电激发光频谱，这样会使得模拟的情形更贴近真实情况。我们结果显示欧杰复合主宰了低电流注入下的效率下降效应。然而，在高电流注入下载子溢流是效率下降的主要原因。 图一、左上角插图是氮化镓奈米柱发光二极管的结构示意图。黑线与红线分别代表应用SOG(spin-on-glass)和SiO2钝化层的奈米柱发光二极管的电流电压图。可以看到在-5伏特电流都只有奈安等级。 图二、黑线、绿线和红线分别代表平面发光二极管、应用SiO2钝化层和SOG钝化层奈米柱发光二极管在变电流下电激发光频谱峰值位移曲线。曲线显示奈米柱发光二极管的电激发光频谱峰值位移较少，代表奈米结构可以减少应变造成的能隙改变。

— 数据提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、陈圣灏 —

极子：玻色激光的崛起

两个独立团队同时提出第一次藉由电子注入方式驱动的玻色激光(bosonic laser)之报告。虽然他们的装置需在低温与强磁场下才可操作，但这象征着基于极子(polariton)之光电组件进展的重要一步。

任何光子学研究者应相当清楚，激光(LASER)代表「受激辐射光放大器」的缩写。简言之，这表示光在系统中能量放大原因是由于受激辐射的能量超过光学吸收。此条件需要电子达到居量反转(population inversion)，能量增益是透过超过临界值的外在能量激发系统，此临界值被称为「激光阀值」。然而，近年来「LASER」这个词的使用已相当随意，通常用来描述任何可以产生同调、单色与单方向的光。

有趣的是，受激辐射并不是唯一产生「激光」的方法。所谓的玻色激光(bosonic lasers)，是透过凝聚的粒子在单量子态的累积而自发地发射同调光。重要的是，虽然玻色激光仍然需要激发，但不需要居量反转，原则上，可以展示出零阀值的激光特性。

甚么样的粒子适合于形成凝聚而发射光呢？虽然玻色凝聚在极低温下已经实现，但凝聚的原子通常处于基态，因此不能发射光(因为没有更低的能态让他们可以跃迁)，这使得原子凝聚对于光的产生是无用的。相较之下，混合光子与物质的凝聚，如准粒子与激子极子(exciton polaritons)则非常适于发射光。这种凝聚物有潜力在相对高的温度(即使是在室温)下与在半导体微共振腔内实现。这就是为何激子极子激光(也称极子激光)很可能成为第一个有实用价值的玻色激光。直到最近，只使用光学激发的极子激光已经被提出；然而，需要透过另一具激光而激发的激光在应用上有范围限制。因此，一个重要且具有大范围实用性的里程碑，是利用电子激发的极子激光装置示范，而如今两个独立团队的研究宣称已达到这样的成就。

在相隔24小时内，Schneider等人与Bhattacharya等人的论文在Nature与Physical Review Letters中分别出现。两个团队都研究高Q值p–i–n结构的砷化镓/砷化铝镓且具有半导体布拉格镜共振腔与嵌入砷化铟镓的复合量子井(图1)。两个团队都提出两种激光阀值，他们解释为极子激光(凝聚跃迁)与传统的光子激光(受激放射)的阀值；然而，他们观察到极子激光只有在数个特斯拉的磁场下才可应用。极子激光阀值与光子激光阀值的比值对于极子激光可视为一个具有价值的关键参数，可以显示玻色子凝聚有助于同调光形成的程度。在Schneider的例子中，极子激光阀值比光子激光阀值低了2至5倍；然而，Bhattacharya等人发表的临界条件比值为10^–3。这样大差异的原因目前不清楚。另外，在极子激光的范畴内，Bhattacharya团队报告了空间同调与缩小发射线宽的形成。

Schneider等人与Bhattacharya等人的实验是在低温的条件下进行(分别约10度K与30度K)。这显然有很大的改进空间，因为在室温下操作才是被期待的。两个团队提出一个重要的基本问题，为何极子激光的阀值只有在外加磁场下才发现？两个团队认为磁场可稳定激子(弱束缚的电子电洞对可耦合光子以形成极子)，但在磁场下特定的极子激光阀值已在理论上被确认。Schneider等人在极子激光的范围下提出抑制黎曼分裂(Zeeman splitting，由磁场诱发的上自旋与下自旋极子能量分裂)的报告，这可能是自旋麦斯纳效应(spin Meissner effect)的证明，在理论上可以由激子-极子的凝聚作预期。这个结果无疑地将刺激更多对玻色激光的实验与理论研究，提供了一条新世代基于激子-极子光电装置发展之路。

在实际应用的方面，极子激光依然需要找到它的利基。它相较于传统激光的主要优势为相较下极低的阀值能量，如同Schneider等人与Bhattacharya等人已有力地证明过的。另一方面，极子凝聚是脆弱的，当激发能量增加，它会去耦合与被破坏。因此极子激光很可能不适于高能控制。

激子极子之玻色凝聚的一个好处是可以利用外加电磁场与激光所控制。因此极子激光发射光的极化与强度可以在数十个皮秒(ps)之内由一个值转换成另一个值。可操控性与快速反应使得极子激光在电子与光通讯装置之间增进光学集成电路的应用。另一个有待探索的应用范围是极子凝聚产生的兆赫频率的产生。鉴于小巧且可靠的同调兆赫辐射光源的高度需求，在半导体超晶格中，基于激子或激子极子的玻色串联激光提供了一个基于电子跃迁的量子串联激光的有价值选择。有可能，它们可在室温下操作，在垂直方向发射兆赫光(也就是垂直结构的平面)，而且像任何垂直腔体表面发射型激光一样小巧。

另一个发展实用的极子激光的里程碑为电子注入下在室温操作的实现。直到最近，有鉴于室温下激子在氮化镓内的稳定，氮化镓微共振腔已被视为最有希望达到此目标的作法。然而，砷化镓微共振腔不应被忘记，值得被更进一步研究。砷化镓中，强力耦合的微共振腔模态可稳定激子，这就是激子为何在精心设计的结构下可以在室温下存活。我们预期即使不在数月内，在未来的几年极子的领域应该会有显著的进步。