本所林清富教授研究团队（林清富教授、蔡志远博士生），参加台大奈米机电系统研究中心使用者大会举办论文竞赛，荣获海报论文优胜奖共2件，特此恭贺！

～ 参访友达光电股份有限公司 ～

（时间：2025年5月23日）

整理：林子媛、洪晨韦

本所长期秉持促进学术与产业交流的宗旨，致力培育具备创新能力与实务视野的优秀人才。本次透过专题演讲课程的安排，在李翔杰教授与李君浩教授带领下，师生一行前往友达光电研发中心，展开半日企业参访与交流。

活动一开始，由显示技术研发处田堃正副理详细介绍友达光电于全球的布局与尖端技术发展，友达凭借丰富的专利实力，稳居台湾显示产业领先地位，并在车用显示、商用及教育应用、医疗显示等多元领域展现卓越成果。

参访过程中，同学们有机会亲身体验智能座舱结合自动控制系统的前瞻应用，深刻感受人机互动技术的未来趋势；智能零售广告牌与电子白板系统则展现客制化内容播放的创新解决方案。在医疗显示领域，友达展示高可靠度医疗显示屏幕及牙科色彩精准配对系统，并具体说明显示技术如何协助提升医疗质量与专业效率。

此次参访不仅拓展本所学生对显示科技的理解，也透过与产业专家的交流，激发跨领域技术整合与应用的深入思考。未来本所将持续推动产学交流活动，期望透过实地学习，培育具备国际视野与产业敏锐度的光电工程专才，促进学术与专业领域的共同成长。

Ultrahigh-Definition Microarrays Using Color-Purified Conversion Technology for Micro-LED Displays

Professor Ching-Fuh Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 林清富教授

Micro-light-emitting diodes (micro-LEDs), owing to their outstanding performance characteristics, are considered a leading technology for next-generation displays. However, their further development and commercialization are hindered by critical challenges, particularly those associated with mass transfer processes, which suffer from limited speed, high cost, and low production yield. To address these limitations, we propose ultrahigh-resolution color-conversion microarrays as an alternative approach for multicolor micro-LED displays. A key focus of our research is overcoming the intrinsic drawbacks of QD-based color conversion materials that usually involve toxic heavy metals (e.g., cadmium), poor environmental stability, susceptibility to moisture and oxygen, and non-uniform dispersion. Additionally, the core–shell architecture of QDs often necessitates thick conversion layers, restricting achievable light emission density and resolution.

To tackle these constraints, we developed a rare-earth-free, organic–inorganic hybrid material featuring high color conversion efficiency, excellent environmental durability, and compatibility with high-resolution patterning. Leveraging well-established photolithography, we fabricated monochromatic microarrays with resolutions up to 14,115 PPI and panchromatic arrays up to 7058 PPI, with individual pixels of 1×1 µm. The patterning process is highly flexible, enabling customizable pixel layouts through mask design. To maximize color purity and light output efficiency, the hybrid microarrays are integrated with a color-purity-enhancement film based on a recycling reflection mechanism. This film selectively transmits converted red and green light while reflecting unconverted blue excitation light back into the color conversion layers for reabsorption and further conversion. Under blue light excitation, our hybrid thin films achieve high conversion efficiencies of 77.9% for green and 71.6% for red, with a thickness of only 1.5 µm. Figure 1a shows the RGB micropixel arrays fabricated on the color-purity-enhancement film. As illustrated in Figure 1b, the resulting color gamut reaches 139.12% of the DCI-P3 standard. Integration with active-matrix driver ICs is currently underway and shows promising preliminary results. Altogether, this work presents a novel and scalable pathway toward high-performance, full-color micro-LED displays.

Highlights of Multi-Intrinsic Layer Ge PIN Photodetector Research

Professor Chee-Wee Liu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 刘致为教授

Photodetectors with bandwidths greater than 100 GHz are key components in high-speed photonics. In this work, we report on Finite-Difference Time-Domain (FDTD) and CHARGE simulations to study the optical bandwidth and the responsivity of Ge-on-Si lateral PIN photodetectors with different intrinsic layer widths (Fig. 1(a-c)) [1-2]. The FDTD solver is set with an input intensity of 0.5 mW/cm² at a wavelength of 1550 nm under normal incidence, considering the material properties with a wavelength-dependent complex refractive index. This setup offers an electron-hole pair generation, as shown in Fig. 1(f), used in the CHARGE solver. Next, electrostatic (CHARGE) simulations are carried out, wherein material properties are defined, and physics-based models are implemented to analyze charge transport. Once these foundational steps are completed, we conduct some key simulations such as DC simulation (Fig. 1(g)) for photo-current, dark current, responsivity, transient simulation for carrier transit time, and small signal optical AC (SSAC) simulation for 3dB bandwidth, revealing device’s frequency response. The Germanium (Ge) PIN photodetector shows a trade-off between responsivity and bandwidth as the Ge intrinsic layer width decreases (Fig. 2(a)). Here we proposed PINIP photodetector design, where two PIN structures are utilized (Fig. 1(d-e)), each with a 400 nm intrinsic layer (400 nm + 400 nm), resulting in a total intrinsic layer width of 800 nm. This configuration significantly enhances the transit-time-limited bandwidth by 2.43x, reaching 263 GHz, compared to a single PIN photodetector with the same total intrinsic layer width with a stable responsivity of 0.79 A/W at -1V (Fig. 2(b-c)). [2]

Reference:
[1] Avishek Das et al. in Symposium on Nano-Device Circuits and Technologies, Aug 19-21, 2024.
[2] Avishek Das et al. in IEEE Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications, April 21-24, 2025.

论文题目：整合超颖透镜与微型发光二极管之直接近眼式扩增实境系统开发

姓名：李圣晖   指导教授：苏国栋教授

摘要

本研究提出一种直接近眼式透视扩增实境（AR）显示系统，仅透过整合微型发光二极管（µLED）数组与超颖透镜（metalens），即可实现扩增影像显示，无需额外光学组件。系统利用 metalens 将 µLED 数组所发出的发散光准直后直接进入人眼，并于无穷远处形成虚像；信道结构之间的透明区域则允许环境光通过，实现自然透视功能。本论文详述 metalens 与对应岛状结构 µLED 显示器之设计与制作流程，并藉由高精度六轴对位平台完成组件整合。实验中成功展示 532 nm 波长下的单信道 AR 显示影像，于实景中清晰迭加 NTU 虚拟信息，且系统具备超过 50% 的光学效率，展现其高效、轻量化的设计优势。此外，为突破被动矩阵 µLED 像素间距之限制，进一步提出多信道影像穿插技术，将四个光轴错位通道整合为单一高解析影像，将像素间距由 12 µm 降至等效 6 µm，显著提升像素密度。实验结果验证该架构在成像质量、视角与每度像素数方面皆与理论预期高度一致。此外，本研究亦探讨系统透视特性及杂散光对影像之干扰，作为未来光学优化之依据。本系统具备拓展至全彩显示与驱动电路整合之潜力，为次世代近眼显示技术提供创新且具实用性的解决方案。 图一、直接近眼式AR系统原理示意图 图二、单通道AR成像结果

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

— 整理：林晃岩教授、郭权锋 —

透过原子级厚度的薄片观察快速振动

局部生物电压生成的测量对于神经生物学、神经及心脏病理生理学的理解至关重要。研究人员现已证实，在二维半导体二硫化钼（MoS₂）中激子-三子转换（Exciton–trion conversion）于心肌细胞动作电位之实时光学成像。

测量生命系统中的电活动，对于深入理解从肌肉收缩到脑内之记忆形成与信息的神经表征等现象至关重要。近几十年来，能够在生理条件下，以细胞及亚细胞分辨率测量电压变化的技术需求大幅增加，然而，现有方法在空间取样能力、时间稳定性及易用性方面仍存在显著缺口。

近日，Yundong Ren等研究人员在《Nature Photonics》期刊发表文章，提出了一种新方法，以解决现有挑战：利用掺硫单层光致发光（Sulfur-doped monolayers of a photoluminescent）半导体二硫化钼（MoS₂）进行无标记光学电压成像。在溶液中，此材料的光致发光强度变化源于外部溶解离子电荷与硫掺杂提供的自由电荷之间的静电交互作用。研究显示，此效应可实现分离心肌细胞电活动的实时光学成像（图1），展现出该技术在电生理学研究中的巨大潜力。

光学电压成像技术通常基于嵌入细胞膜内的荧光分子，因其具有三维成像能力，在生体环境中（In vivo）展现出巨大应用潜力。然而，在体外环境中（In vitro），这些分子的时间稳定性低所带来的限制，以及所需的实验室设备，使得许多电生理学实验室仍然依赖平面电极数组来记录细胞培养中的活动。这些电极数组在空间分辨率及可同时取样的位点数量方面的限制，促使了新类别的无标记光学电压成像技术之发展。先前的方法包括基于电致变色高分子薄膜的差分反射技术、基于溶液电荷耦合的薄金属膜表面等离子共振技术，以及透过浅层缺陷（如氮-空位中心）直接成像导电钻石表面内的屏蔽载流子。与这些方法相比，该研究所采用的真正二维系统对溶液电位的光学响应更为增强（最高可达每毫伏2.46%），因为材料内的屏蔽电荷无法形成分布式空间电荷层，因此其局部密度必须有更大程度地变化，以屏蔽外部表面电荷产生的电场。

Ren等研究人员提出的光致发光调制机制涉及两种粒子间的交互作用：二硫化钼（MoS₂）薄片内的自由电子，以及光激发形成的电子-电洞对束缚态，即激子（Exciton）。在MoS₂中，激子透过辐射衰变产生光致发光讯号，而邻近自由电子的激子可能形成带负电的束缚态，即三子（Trion），由两个电子与一个电洞组成。与激子不同，MoS₂中的负三子经历非辐射衰变。因此，自由电子的局部密度越高，MoS₂薄片所发出的光越暗。由于材料内的电子可在二维平面内自由移动，它们可能受到外部电荷的吸引或排斥。当局部电荷源（如产生动作电位的细胞）与MoS₂薄片接触时，电子会迅速移动以屏蔽外部电荷。这种电子气密度的变化导致激子/三子密度的局部变化，因此外部负电荷源显得更亮（较少电子/三子），而正电荷源则显得更暗。这些光致发光变化可透过光电二极管或相机等设备检测，提供实时光学检测或成像电生理活动的方法（图2）。

Ren等研究人员在其论文中展示了该机制如何实现无连接（即无需将MoS₂薄片接地，因为样本内部的局部电荷重排已足以屏蔽外部电场）的光学检测，能够测量由金属电极及分离心肌细胞动作电位所产生的溶液电位。然而，在此研究中，为了获取细胞内电压变化（其幅度远大于相关的细胞外电位），研究人员透过光学穿孔技术进行细胞膜的开孔处理。虽然光学穿孔的需求可能对长时间细胞培养研究产生影响，但细胞内测量仍然蕴含丰富的信息，该技术有望以前所未有的细节提取这些数据。例如，透过细胞内动作电位记录获得的波形形状可提供特定离子通道的活动信息，而突触后阈下信号的整合则是触发神经元放电的关键，这些信号无法在缺乏细胞内电压测量的情况下记录。此外，MoS₂电压成像的灵敏度在本研究中报导为88 µV µm Hz⁻¹/²，与先前报导的无标记光学电压成像方法相比具有竞争力，尽管其灵敏度可能仍略高于以微米或亚微米分辨率进行哺乳动物神经元动作电位传播的细胞外成像所需的水平。

光学电压成像器的灵敏度取决于其响应度（即溶液电压变化所引起的光致发光变化）以及每单位感测表面所发出的光致发光强度。透过优化照射强度（控制激子密度）及二硫化钼（MoS₂）的硫掺杂（控制零偏压电子/三子密度），本研究的作者已达到热力学平衡条件下可允许的最大响应度。因此，进一步提升灵敏度的途径可能集中于光子收集的最大化。例如，可利用微透镜数组或在玻璃基板背面施加抗反射涂层，以提高MoS₂的光子收集效率，或采用等离子体结构或光子晶体架构来增强MoS₂的光子发射率。若能提高MoS₂薄片的硫掺杂水平，则所需的三子密度（以及最佳响应度所需的照射强度）也将增加，从而在不影响荧光响应的情况下实现更高效的光子收集。

尽管仍需进一步努力以提升细胞外感测的灵敏度，但Ren等研究人员所开发的技术已可直接应用于具备光学穿孔能力的实验室进行细胞内测量。光学电压成像的一大优势在于消除传感器的『死区』（‘Dead’ zone），例如多电极数组中相邻探测点之间的非活性空间，这些死区可能导致高密度细胞培养中的活动取样不足。因此，该技术在电生理学领域广泛应用的主要需求可能是减少或消除MoS₂薄片之间的死区，这可透过改进单层转移工艺或发展新的生长途径来实现，使MoS₂单层能够在玻璃或其它生物兼容性/透明基材上形成连续沉积。随着生物学领域的无标记电压成像技术不断发展，Ren等人所展示的卓越成果表明，基于屏蔽电荷的平衡量子统计方法具有巨大潜力，尤其是那些利用二维载流子约束所产生的高响应度技术。