本所林清富教授研究團隊（林清富教授、蔡志遠博士生），參加臺大奈米機電系統研究中心使用者大會舉辦論文競賽，榮獲海報論文優勝獎共2件，特此恭賀！

～ 參訪友達光電股份有限公司 ～

（時間：114年5月23日）

整理：林子媛、洪晨韋

本所長期秉持促進學術與產業交流的宗旨，致力培育具備創新能力與實務視野的優秀人才。本次透過專題演講課程的安排，在李翔傑教授與李君浩教授帶領下，師生一行前往友達光電研發中心，展開半日企業參訪與交流。

活動一開始，由顯示技術研發處田堃正副理詳細介紹友達光電於全球的佈局與尖端技術發展，友達憑藉豐富的專利實力，穩居臺灣顯示產業領先地位，並在車用顯示、商用及教育應用、醫療顯示等多元領域展現卓越成果。

參訪過程中，同學們有機會親身體驗智慧座艙結合自動控制系統的前瞻應用，深刻感受人機互動技術的未來趨勢；智慧零售看板與電子白板系統則展現客製化內容播放的創新解決方案。在醫療顯示領域，友達展示高可靠度醫療顯示螢幕及牙科色彩精準配對系統，並具體說明顯示技術如何協助提升醫療品質與專業效率。

此次參訪不僅拓展本所學生對顯示科技的理解，也透過與產業專家的交流，激發跨領域技術整合與應用的深入思考。未來本所將持續推動產學交流活動，期望透過實地學習，培育具備國際視野與產業敏銳度的光電工程專才，促進學術與專業領域的共同成長。

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

臺灣大學光電所 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

臺灣大學光電所 劉致為教授

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.

論文題目：整合超穎透鏡與微型發光二極體之直接近眼式擴增實境系統開發

姓名：李聖暉   指導教授：蘇國棟教授

摘要

本研究提出一種直接近眼式透視擴增實境（AR）顯示系統，僅透過整合微型發光二極體（µLED）陣列與超穎透鏡（metalens），即可實現擴增影像顯示，無需額外光學元件。系統利用 metalens 將 µLED 陣列所發出的發散光準直後直接進入人眼，並於無窮遠處形成虛像；通道結構之間的透明區域則允許環境光通過，實現自然透視功能。本論文詳述 metalens 與對應島狀結構 µLED 顯示器之設計與製作流程，並藉由高精度六軸對位平台完成元件整合。實驗中成功展示 532 nm 波長下的單通道 AR 顯示影像，於實景中清晰疊加 NTU 虛擬資訊，且系統具備超過 50% 的光學效率，展現其高效、輕量化的設計優勢。此外，為突破被動矩陣 µLED 像素間距之限制，進一步提出多通道影像穿插技術，將四個光軸錯位通道整合為單一高解析影像，將像素間距由 12 µm 降至等效 6 µm，顯著提升像素密度。實驗結果驗證該架構在成像品質、視角與每度像素數方面皆與理論預期高度一致。此外，本研究亦探討系統透視特性及雜散光對影像之干擾，作為未來光學優化之依據。本系統具備拓展至全彩顯示與驅動電路整合之潛力，為次世代近眼顯示技術提供創新且具實用性的解決方案。 圖一、直接近眼式AR系統原理示意圖 圖二、單通道AR成像結果

— 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、郭權鋒 —

透過原子級厚度的薄片觀察快速振動

局部生物電壓生成的測量對於神經生物學、神經及心臟病理生理學的理解至關重要。研究人員現已證實，在二維半導體二硫化鉬（MoS₂）中激子-三子轉換（Exciton–trion conversion）於心肌細胞動作電位之即時光學成像。

測量生命系統中的電活動，對於深入理解從肌肉收縮到腦內之記憶形成與資訊的神經表徵等現象至關重要。近幾十年來，能夠在生理條件下，以細胞及亞細胞解析度測量電壓變化的技術需求大幅增加，然而，現有方法在空間取樣能力、時間穩定性及易用性方面仍存在顯著缺口。

近日，Yundong Ren等研究人員在《Nature Photonics》期刊發表文章，提出了一種新方法，以解決現有挑戰：利用摻硫單層光致發光（Sulfur-doped monolayers of a photoluminescent）半導體二硫化鉬（MoS₂）進行無標記光學電壓成像。在溶液中，此材料的光致發光強度變化源於外部溶解離子電荷與硫摻雜提供的自由電荷之間的靜電交互作用。研究顯示，此效應可實現分離心肌細胞電活動的即時光學成像（圖1），展現出該技術在電生理學研究中的巨大潛力。

光學電壓成像技術通常基於嵌入細胞膜內的螢光分子，因其具有三維成像能力，在生體環境中（In vivo）展現出巨大應用潛力。然而，在體外環境中（In vitro），這些分子的時間穩定性低所帶來的限制，以及所需的實驗室設備，使得許多電生理學實驗室仍然依賴平面電極陣列來記錄細胞培養中的活動。這些電極陣列在空間解析度及可同時取樣的位點數量方面的限制，促使了新類別的無標記光學電壓成像技術之發展。先前的方法包括基於電致變色高分子薄膜的差分反射技術、基於溶液電荷耦合的薄金屬膜表面等離子共振技術，以及透過淺層缺陷（如氮-空位中心）直接成像導電鑽石表面內的屏蔽載流子。與這些方法相比，該研究所採用的真正二維系統對溶液電位的光學響應更為增強（最高可達每毫伏2.46%），因為材料內的屏蔽電荷無法形成分佈式空間電荷層，因此其局部密度必須有更大程度地變化，以屏蔽外部表面電荷產生的電場。

Ren等研究人員提出的光致發光調制機制涉及兩種粒子間的交互作用：二硫化鉬（MoS₂）薄片內的自由電子，以及光激發形成的電子-電洞對束縛態，即激子（Exciton）。在MoS₂中，激子透過輻射衰變產生光致發光訊號，而鄰近自由電子的激子可能形成帶負電的束縛態，即三子（Trion），由兩個電子與一個電洞組成。與激子不同，MoS₂中的負三子經歷非輻射衰變。因此，自由電子的局部密度越高，MoS₂薄片所發出的光越暗。由於材料內的電子可在二維平面內自由移動，它們可能受到外部電荷的吸引或排斥。當局部電荷源（如產生動作電位的細胞）與MoS₂薄片接觸時，電子會迅速移動以屏蔽外部電荷。這種電子氣密度的變化導致激子/三子密度的局部變化，因此外部負電荷源顯得更亮（較少電子/三子），而正電荷源則顯得更暗。這些光致發光變化可透過光電二極體或相機等設備檢測，提供即時光學檢測或成像電生理活動的方法（圖2）。

Ren等研究人員在其論文中展示了該機制如何實現無連接（即無需將MoS₂薄片接地，因為樣本內部的局部電荷重排已足以屏蔽外部電場）的光學檢測，能夠測量由金屬電極及分離心肌細胞動作電位所產生的溶液電位。然而，在此研究中，為了獲取細胞內電壓變化（其幅度遠大於相關的細胞外電位），研究人員透過光學穿孔技術進行細胞膜的開孔處理。雖然光學穿孔的需求可能對長時間細胞培養研究產生影響，但細胞內測量仍然蘊含豐富的信息，該技術有望以前所未有的細節提取這些數據。例如，透過細胞內動作電位記錄獲得的波形形狀可提供特定離子通道的活動信息，而突觸後閾下信號的整合則是觸發神經元放電的關鍵，這些信號無法在缺乏細胞內電壓測量的情況下記錄。此外，MoS₂電壓成像的靈敏度在本研究中報導為88 µV µm Hz⁻¹/²，與先前報導的無標記光學電壓成像方法相比具有競爭力，儘管其靈敏度可能仍略高於以微米或亞微米解析度進行哺乳動物神經元動作電位傳播的細胞外成像所需的水平。

光學電壓成像器的靈敏度取決於其響應度（即溶液電壓變化所引起的光致發光變化）以及每單位感測表面所發出的光致發光強度。透過優化照射強度（控制激子密度）及二硫化鉬（MoS₂）的硫摻雜（控制零偏壓電子/三子密度），本研究的作者已達到熱力學平衡條件下可允許的最大響應度。因此，進一步提升靈敏度的途徑可能集中於光子收集的最大化。例如，可利用微透鏡陣列或在玻璃基板背面施加抗反射塗層，以提高MoS₂的光子收集效率，或採用等離子體結構或光子晶體架構來增強MoS₂的光子發射率。若能提高MoS₂薄片的硫摻雜水平，則所需的三子密度（以及最佳響應度所需的照射強度）也將增加，從而在不影響螢光響應的情況下實現更高效的光子收集。

儘管仍需進一步努力以提升細胞外感測的靈敏度，但Ren等研究人員所開發的技術已可直接應用於具備光學穿孔能力的實驗室進行細胞內測量。光學電壓成像的一大優勢在於消除感測器的『死區』（‘Dead’ zone），例如多電極陣列中相鄰探測點之間的非活性空間，這些死區可能導致高密度細胞培養中的活動取樣不足。因此，該技術在電生理學領域廣泛應用的主要需求可能是減少或消除MoS₂薄片之間的死區，這可透過改進單層轉移工藝或發展新的生長途徑來實現，使MoS₂單層能夠在玻璃或其他生物相容性/透明基材上形成連續沉積。隨著生物學領域的無標記電壓成像技術不斷發展，Ren等人所展示的卓越成果表明，基於屏蔽電荷的平衡量子統計方法具有巨大潛力，尤其是那些利用二維載流子約束所產生的高響應度技術。