Professor Jr-Hau He

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 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   指導教授：孫啟光教授

摘要

倍頻顯微術已經被證實在活體健康皮膚上具有極佳的穿透度、空間解析度和極低的光破壞的特性。本論文進一步的利用倍頻顯微術，來探討其應用在口腔癌和皮膚癌的診斷能力。我們確立了倍頻顯微術應用在活體口腔的影像能力並且得到口腔鱗狀細胞癌的倍頻影像，並且使用和病理特徵相同的標準去分辨癌化和正常組織的不同。在皮膚研究方面，依據傳統的病理標準，我們建立了診斷不同色素性病灶的倍頻影像特徵，並且得到很高的敏感性與特異性。 圖一、臨床倍頻顯微鏡 圖二、口腔癌倍頻影像（Image size: 180 mm×180 mm）

論文題目：極化導致氮化銦鎵/氮化鎵奈米柱發光二極體陣列的光學特性

姓名：陳兩儀   指導教授：黃建璋教授

摘要

直接寬能隙化合物半導體氮化鎵在固態照明的領域已經被廣泛的研究。然而，低的光萃取效率(extraction efficiency)是高功率固態照明發光二極體的瓶頸。再者，氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)量子井(quantum-well)通常會承受由於晶格不匹配(lattice mismatch)產生的應力(strain)造成的內建電場(built-in electric field)。這個內建電場會導致電子電洞之間的波函數重疊下降，而產生較低的內部量子效益。 奈米柱結構不僅可以釋放因為晶格不匹配造成的應力，也因為具有較高的面積體積比而有更高的光萃取效率。因此，我們開始研究氮化鎵奈米結構的元件。氮化鎵的奈米柱結構也同樣被廣泛的研究，但是大多數的研究僅侷限於材料特性。製作奈米柱發光二極體的製程困難，特別是高逆向電流的議題。 我們發展了一個穩定的製程來製作氮化銦鎵/氮化鎵奈米柱發光二極體陣列。鈍化層(passivation layer)和研磨的製程被結合應用在製作奈米柱結構上的p型電極。我們的奈米柱結構發光二極體的逆向電流在-5伏特只有奈安培(nA)等級。 我們應用拉曼光譜(Raman spectroscopy)來觀察奈米柱結構的應變釋放。與拉曼波數以及應變相關的公式被應用來估計氮化銦鎵量子井內的應變。 我們更進一步發現，不同鈍化層材料的選擇會造成不同的應力存在於氮化銦鎵/氮化鎵量子井裡，而發光的特性也因此受到改變。這個結果經過拉曼光譜的檢測來了解不同鈍化層的應力並藉由理論計算來得知應力對能隙和極化的壓電電場的影響。 在最後，我們也探討奈米柱結構發光二極體的效率下降效應。我們的模擬和量測不只考慮量子效益，而且也考慮電激發光頻譜，這樣會使得模擬的情形更貼近真實情況。我們結果顯示歐傑複合主宰了低電流注入下的效率下降效應。然而，在高電流注入下載子溢流是效率下降的主要原因。 圖一、左上角插圖是氮化鎵奈米柱發光二極體的結構示意圖。黑線與紅線分別代表應用SOG(spin-on-glass)和SiO2鈍化層的奈米柱發光二極體的電流電壓圖。可以看到在-5伏特電流都只有奈安等級。 圖二、黑線、綠線和紅線分別代表平面發光二極體、應用SiO2鈍化層和SOG鈍化層奈米柱發光二極體在變電流下電激發光頻譜峰值位移曲線。曲線顯示奈米柱發光二極體的電激發光頻譜峰值位移較少，代表奈米結構可以減少應變造成的能隙改變。

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、陳聖灝 —

極子：玻色雷射的崛起

兩個獨立團隊同時提出第一次藉由電子注入方式驅動的玻色雷射(bosonic laser)之報告。雖然他們的裝置需在低溫與強磁場下才可操作，但這象徵著基於極子(polariton)之光電元件進展的重要一步。

任何光子學研究者應相當清楚，雷射(LASER)代表「受激輻射光放大器」的縮寫。簡言之，這表示光在系統中能量放大原因是由於受激輻射的能量超過光學吸收。此條件需要電子達到居量反轉(population inversion)，能量增益是透過超過臨界值的外在能量激發系統，此臨界值被稱為「雷射閥值」。然而，近年來「LASER」這個詞的使用已相當隨意，通常用來描述任何可以產生同調、單色與單方向的光。

有趣的是，受激輻射並不是唯一產生「雷射」的方法。所謂的玻色雷射(bosonic lasers)，是透過凝聚的粒子在單量子態的累積而自發地發射同調光。重要的是，雖然玻色雷射仍然需要激發，但不需要居量反轉，原則上，可以展示出零閥值的雷射特性。

甚麼樣的粒子適合於形成凝聚而發射光呢？雖然玻色凝聚在極低溫下已經實現，但凝聚的原子通常處於基態，因此不能發射光(因為沒有更低的能態讓他們可以躍遷)，這使得原子凝聚對於光的產生是無用的。相較之下，混合光子與物質的凝聚，如準粒子與激子極子(exciton polaritons)則非常適於發射光。這種凝聚物有潛力在相對高的溫度(即使是在室溫)下與在半導體微共振腔內實現。這就是為何激子極子雷射(也稱極子雷射)很可能成為第一個有實用價值的玻色雷射。直到最近，只使用光學激發的極子雷射已經被提出；然而，需要透過另一具雷射而激發的雷射在應用上有範圍限制。因此，一個重要且具有大範圍實用性的里程碑，是利用電子激發的極子雷射裝置示範，而如今兩個獨立團隊的研究宣稱已達到這樣的成就。

在相隔24小時內，Schneider等人與Bhattacharya等人的論文在Nature與Physical Review Letters中分別出現。兩個團隊都研究高Q值p–i–n結構的砷化鎵/砷化鋁鎵且具有半導體布拉格鏡共振腔與嵌入砷化銦鎵的複合量子井(圖1)。兩個團隊都提出兩種雷射閥值，他們解釋為極子雷射(凝聚躍遷)與傳統的光子雷射(受激放射)的閥值；然而，他們觀察到極子雷射只有在數個特斯拉的磁場下才可應用。極子雷射閥值與光子雷射閥值的比值對於極子雷射可視為一個具有價值的關鍵參數，可以顯示玻色子凝聚有助於同調光形成的程度。在Schneider的例子中，極子雷射閥值比光子雷射閥值低了2至5倍；然而，Bhattacharya等人發表的臨界條件比值為10^–3。這樣大差異的原因目前不清楚。另外，在極子雷射的範疇內，Bhattacharya團隊報告了空間同調與縮小發射線寬的形成。

Schneider等人與Bhattacharya等人的實驗是在低溫的條件下進行(分別約10度K與30度K)。這顯然有很大的改進空間，因為在室溫下操作才是被期待的。兩個團隊提出一個重要的基本問題，為何極子雷射的閥值只有在外加磁場下才發現？兩個團隊認為磁場可穩定激子(弱束縛的電子電洞對可耦合光子以形成極子)，但在磁場下特定的極子雷射閥值已在理論上被確認。Schneider等人在極子雷射的範圍下提出抑制黎曼分裂(Zeeman splitting，由磁場誘發的上自旋與下自旋極子能量分裂)的報告，這可能是自旋麥斯納效應(spin Meissner effect)的證明，在理論上可以由激子-極子的凝聚作預期。這個結果無疑地將刺激更多對玻色雷射的實驗與理論研究，提供了一條新世代基於激子-極子光電裝置發展之路。

在實際應用的方面，極子雷射依然需要找到它的利基。它相較於傳統雷射的主要優勢為相較下極低的閥值能量，如同Schneider等人與Bhattacharya等人已有力地證明過的。另一方面，極子凝聚是脆弱的，當激發能量增加，它會去耦合與被破壞。因此極子雷射很可能不適於高能控制。

激子極子之玻色凝聚的一個好處是可以利用外加電磁場與雷射所控制。因此極子雷射發射光的極化與強度可以在數十個皮秒(ps)之內由一個值轉換成另一個值。可操控性與快速反應使得極子雷射在電子與光通訊裝置之間增進光學積體電路的應用。另一個有待探索的應用範圍是極子凝聚產生的兆赫頻率的產生。鑒於小巧且可靠的同調兆赫輻射光源的高度需求，在半導體超晶格中，基於激子或激子極子的玻色串聯雷射提供了一個基於電子躍遷的量子串聯雷射的有價值選擇。有可能，它們可在室溫下操作，在垂直方向發射兆赫光(也就是垂直結構的平面)，而且像任何垂直腔體表面發射型雷射一樣小巧。

另一個發展實用的極子雷射的里程碑為電子注入下在室溫操作的實現。直到最近，有鑑於室溫下激子在氮化鎵內的穩定，氮化鎵微共振腔已被視為最有希望達到此目標的作法。然而，砷化鎵微共振腔不應被忘記，值得被更進一步研究。砷化鎵中，強力耦合的微共振腔模態可穩定激子，這就是激子為何在精心設計的結構下可以在室溫下存活。我們預期即使不在數月內，在未來的幾年極子的領域應該會有顯著的進步。