本所教師研究團隊榮獲「國科會2026未來科技獎」，特此恭賀！

～ 2026 暑期大學生光電營 花絮報導 ～

（時間：115年8月4日至6日；地點：臺灣大學博理館）

花絮整理：蔡佩璇

國立臺灣大學光電工程學研究所於8月4日至6日舉辦「2026暑期大學生光電營」。為期三天的活動安排專題演講、實驗課程、實驗室導覽及企業參訪，內容涵蓋XR、人工智慧、太空光伏、高頻元件、矽光子與光通訊等主題，讓學員從理論、實作到產業應用，認識光電領域的研究方向與未來發展。活動期間所上每日也準備了豐盛的午餐與點心，讓學員在緊湊的課程之間補充體力，並利用用餐時間彼此交流。

第一天上午，學員陸續於博理館113教室完成報到。開幕式由蔡睿哲所長致詞，並透過光電科技簡介，帶領學員認識光電領域的研究範圍及相關應用，為本次營隊揭開序幕。隨後林晃巖教授以「矽基空間光調制技術於XR與AI之應用」為題，從矽基空間光調制技術出發，介紹其在XR顯示與人工智慧中的應用，使學員對課堂中的光學概念及實際技術之間的關聯有更具體的認識。

第一天下午的活動以分組跑關方式進行，學員分成四組，輪流參與黃定洧教授與林晃巖教授的實驗課程，以及兩間研究實驗室的導覽。上午仍在教室裡認識技術，下午便能直接看到實驗裝置與研究環境，許多問題往往要等到真正看見光路、接觸設備後才會浮現，學員也趁著操作與參觀的機會，向老師、助教及實驗室成員詢問，整個下午在不同場域間輪替，節奏雖然緊湊，現場討論卻十分熱絡。

第二天上午安排兩場專題演講。首先由黃奕騰教授以「Powering the Next AI Era: The Promise of Space Photovoltaics」為題，分享太空光伏技術與AI時代的相關研究。接著黃建璋教授以「高頻元件、矽光子及在AI的應用」為題，介紹高頻元件與矽光子技術的發展及應用。兩場演講分別從能源與元件技術切入，帶領學員認識光電科技與AI發展之間的關聯。

上午課程結束後，全體學員搭車前往竹南，參訪錼創顯示科技股份有限公司。透過企業簡介、技術介紹及現場交流，學員認識顯示技術從研究開發、製程設計到量產應用的過程，也更進一步了解目前顯示產業的發展方向與人才需求。對於正在思考未來升學或職涯規劃的學員而言，此次參訪提供了接觸產業現場的機會，也讓課堂中所學的技術有了更實際的對照。

第三天回到博理館後，上午由黃定洧教授主講「突破AI運算的資料傳輸牆－矽光子技術」，接著由翁祖楷博士以「從光通訊到全光網路」為題，介紹光通訊技術的發展。經過前兩天的課程，學員已接觸過AI、高頻元件及矽光子，這兩場演講則進一步將各項主題串聯起來，說明矽光子如何回應AI所帶來的龐大資料傳輸需求，以及光通訊未來可能延伸出的網路架構。

午後，活動的主角任務交到學員手中。各組回顧三天接觸到的課程、實驗及企業參訪內容，分享印象最深刻的環節與參與心得，透過不同組別的分享，學員也能從彼此的觀察中，再次整理這三天的所見所學。心得分享結束後，所上安排「Kahoot！」即時問答活動，讓學員在輕鬆熱絡的氣氛中複習課程內容。三天活動過程中，各組隊輔全程陪伴學員，協助行程引導及各項活動進行，使營隊得以順利完成，活動最後舉行結業式，學員領取結業證書後與隊輔合影，為本次營隊留下珍貴紀念。

三天的營隊很難涵蓋光電領域的所有內容，但足以讓一個原本陌生的研究方向有了輪廓，真正留下來的，或許不只是某個公式或技術名詞，而是第一次看見光電從課本中走出來，成為實驗室裡的裝置、晶片中的元件，以及產業正在發展的技術。活動最後在綜合問答、頒獎及結業式中落幕，也為這三天學習與交流留下完整紀錄。

～ 光電所參與歐洲 European Master of Science in Photonics (EMSP) 碩士雙學位計畫 系列報導 ～

【之九】

撰文：光電所碩士班 陳以佳

下學期的修課

上一篇專欄和大家分享了上學期的修課體驗，本篇將焦點轉向下學期的兩門核心課程，以及重頭戲—佔了整整一年一半學分的碩士論文時程。在根特大學，下學期的步調相對精實，我的安排是兩堂課共8學分，加上貫穿全學年的實驗課4學分。以下直接帶大家來看這幾堂課的詳細內容！

Micro- and Nano- photonics semiconductor device

這門課的內容著重在各種光電元件的物理：從最基本的馬克斯威爾方程與波函數開始講起，利用波函數和晶體的特性結構，慢慢推演出能帶的概念以及光子與電子的交互作用，最後利用這些原理去解釋諸如photodetector以及雷射等光電元件的運作物理。整體來說是一堂內容非常多的課，章節非常多，需要大量的自學。

這堂課分為三部份計分，首先是平時練習題的分數，也就是課本每章節最後的練習題，這部分占比不大（10/110），且不需要每題都寫，只要寫一部分，每周寄給老師就可以拿到分數，主要是為了鼓勵平時的學習。另兩個占大宗的是課程專題和期末考試：專題兩人一組，內容是使用Nextnanomat這款模擬軟體模擬Quantum well的波函數與能級，並計算多層Quantum well間距以及stress造成的影響，這部分佔比為40/110；期末考則再細分為筆試和口試兩部分，共佔60/110。筆試採取open book的方式，題目為課本後面的習題，多多準備就會有收穫。口試在筆試後直接進行，會要求你解釋筆試的答案、專題報告的內容，並且抽考你對課本上隨機一張圖表的理解，這種面對面口試的部分可就刺激了，他會一直追問到你答不出來為止，非常有趣。

這堂課讓我紮實地從理論開始了解平常PIC常用的主動元件運作原理，讓我更加了解以前所使用或學過的元件。

Photonics integrated chips

接下來要談到的這堂課就是個熱門的課程了，大部分的同學都會修，也是根特大學光電所主要發展的方向。課程內容可以說是把PIC相關的知識都包了，從光學原理、主動被動元件到platform、材料、製程……等，全部都有提到，是很好的導論課程，目標是讓學生從大方向上了解整個矽光子的產業。

就如同大部分根特的課程一樣，這堂課也分為專題和期末考兩個部分：

專題要求用python IPKISS的模組，在Jupyter一個共用的伺服器上，搭建個人的PIC layout。IPKISS是由Luceda開發的PIC Layout模組，用途是利用IPKISS內建的資料庫，搭建組合出我們想要的PIC電路，系統裡還包含了auto-route、DRC check、光譜模擬等功能。我們會設計幾種相似的電路，並改變其中的參數，以討論參數帶來的頻譜變化。Layout畫完之後，助教會把它做出來，並且讓我們量測其光譜，以比較與模擬的差異。

而期末考也分成兩個部分，首先是筆試，考的就是課程的內容，共二十幾題，基本上從頭到尾都有考到。而口試就有趣了，教授會讓你丟骰子（1d6*1d20）來決定考題，共考三題，運氣決定了你的生死。

在這堂課中，我學習到了PIC全面向的設計流程與基礎知識，讓我對這個領域更加熟悉，對於我現在的工作也非常有幫助。

Master thesis

最後要提到的就是佔這一年一半學分的碩士論文了。在上學期的開始，負責的教授便發了一份文件給我們，內有所有這學年可以選的碩士論文題目以及motivation等，若是有興趣，便可以依據上面所附的連絡資訊詢問題目的指導教授或博後，若是指導教授同意，便可以於UGent的系統Plato上登記碩士論文題目。但是題目的公布是在前一學年的中間，導致有部分題目會提前找到學生而讓碩二才入學的我們無法做選擇。選完題目後，便可以開始做碩士論文所需的模擬、實驗收集數據了，許多指導教授會在學年中間（約臺灣寒假）左右，讓你練習碩士論文口試，也就是稍微正式地將目前的研究成果向實驗室內部的同儕報告，就如同預口試一般，內容包含了動機、原理等等。

時序來到下學期，與臺灣不同的是口試舉行時間，通常臺灣各個學生於不同時間獨立舉行口試，根特的defense是固定時間一起進行的，場次有六月和九月兩場，可以根據進度選擇時段，六月的defense為期兩天，一天在VUB、一天在UGent，並且相當正式，許多人都會穿西裝參加，就有如一場conference。講者們（也就是參與口試的同學）會依序上台報告，而報告完後教授們會出場討論後決定口試分數。大部分同學都會參加六月的口試，若要九月再口試，就會跟臺灣一樣，一個人站在會議室裡，面對台下3至5個教授的考驗。需要注意的是，碩士論文在口試前兩周就要寫好上傳到Plato系統裡，且沒有像臺灣一樣口試後修改碩士論文的環節。碩士論文的格式也需要多多注意，與臺大主要參照各實驗室模板不同，根特的碩士論文有統一的格式，建議直接下載Ugent thesis的Latex模板，以避免格式錯誤的問題。而根特的畢業典禮會於九月的口試也結束後才舉辦，故若是六月口試完就回臺灣，就無法參加了，碩士袍會免費借你穿，還會送一頂帽子，可以當作不錯的紀念。【精彩內容，下期待續～】

High-Resolution Temperature Sensing for Human Health Using Si-Photonics Technologies

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

Accurate and non-contact temperature sensing is important for healthcare monitoring, smart sensing systems, and thermal imaging, particularly in the human-body-temperature range where small temperature variations must be reliably distinguished. Conventional infrared thermal sensors often require specialized materials or complex device architectures. In this work, we investigate a silicon-compatible approach based on Cu/p-Si Schottky hot-carrier photodetectors with periodic inverted-pyramid structures (IPSs) for detecting blackbody radiation from 35 to 42 °C. Under reverse bias, the electric field near the metal–semiconductor interface promotes carrier transport and enhances the photothermal response associated with hot-carrier relaxation. The inverted-pyramid geometry further modifies the optical-field distribution at the Cu/Si interface and, together with localized surface plasmon resonance (LSPR), promotes hot-carrier generation and improves the temperature-dependent response.

To quantitatively evaluate the detector response, the transient current slope was extracted using local linear regression and used as the sensing metric. Reverse bias produced a substantially stronger temperature-dependent response than forward bias. For the planar device at 42 °C, the response at −0.3 V reached 52.548 µA/s, approximately 2.6 times of that at +0.3 V and 3.8 times that at +0.5 V. After introducing an 8 µm IPS, the response under −0.3 V nearly doubled compared with the planar device, increasing from 7.631 to 15.563 µA/s at 35 °C and from 52.548 to 103.387 µA/s at 42 °C. The enhanced response enabled clear discrimination of controlled 0.1 °C source-temperature steps.

The dimensions of the inverted-pyramid structures were also found to play an important role in the sensitivity. As the IPS size increased from 8 to 14 µm, the response increased from 15.563 to 21.074 µA/s at 35 °C and from 103.387 to 162.960 µA/s at 42 °C. Linear fitting over 35–42 °C yielded sensitivities of approximately 12.20, 13.57, 16.37, and 20.60 µA/s°C for the 8, 10, 12, and 14 µm IPS devices, respectively. These results demonstrate that engineering the surface microstructure provides an effective means of tailoring the optical-field distribution and hot-carrier response, thereby improving the performance of Cu/p-Si Schottky detectors for low-temperature thermal-radiation sensing.

Device miniaturization was further demonstrated using a 3 mm × 3 mm detector with 14-µm IPSs. Under a −1 V bias, the miniaturized device maintained a clear temperature-dependent response, with the current slope increasing from 0.771 µA/s at 35 °C to 4.725 µA/s at 42 °C. Despite the substantial reduction in device area, the detector retained the ability to discriminate controlled 0.2 °C source-temperature steps. Overall, the Cu/p-Si platform combines room-temperature operation, silicon-process compatibility, microstructure-enhanced thermal-radiation response, and strong potential for device miniaturization, highlighting its promise for compact non-contact temperature-sensing applications.

Ultra-Thin Ferroelectric Capacitor with 1.2 V NVSRAM Application

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

Scaling Hf_1-xZr_xO (HZO) films to <5 nm typically induces severe polarization degradation and high leakage. In alignment with this trajectory, our group resolved these constraints by fabricating 3 nm HZO capacitors on b-W electrodes (Figure 1 (a)) using an initial solid-phase epitaxy (ISPE) method for larger crystallization of the orthorhombic (o-) phase in HZO and water quenching to reduce leakage current by four orders of magnitude (Figure 1 (b)). This resulted in a low operating voltage (V_OP) of 0.55 V while still maintaining 2 Pr = 29 mC/cm², exceeding the 2023 IRDS target (Figure 1 (c)), and a record 2 P_r/V_op ratio of 60 (Figure 1 (d)). Furthermore, we demonstrated low-operating-voltage non-volatile SRAM (NVSRAM) (Figure 2 (a)). Integrating 3.5 nm ferroelectric capacitors via standard routing enables complete data store and recall operations at 1.2 V. This closely matches the required non-volatile store voltage directly to the regular SRAM V_DD, successfully eliminating conventional operational voltage mismatches (Figure 2 (b))^[1].

Reference:

[1] Yu-Tsung Liao et al., IEDM 2025

論文題目：氮化鎵功率元件之電性與可靠度分析：由垂直式金氧半場效電晶體之準飽和效應至p型高電子遷移率電晶體於高頻操作下之閾值電壓不穩定性

姓名：張致綱   指導教授：黃建璋教授

摘要

近年隨著人工智慧伺服器對48V電源架構的需求遽增，氮化鎵p型高電子遷移率電晶體憑藉其優異的中低壓耐壓特性與兆赫茲等級的高頻切換能力，已成為該轉換電路中的關鍵元件。然而該元件在高頻動態應力下會發生閾值電壓飄移，進而大幅增加導通電阻並降低系統轉換效率。本研究旨在透過追蹤元件在承受動態脈衝應力後，其閾值電壓偏移量隨時間恢復的暫態曲線，並採用雙指數函數擬和以分解並分析造成閾值電壓偏移的物理機制。 透過調變動態脈衝應力的操作頻率，以及獨立控制脈衝的導通時長和關斷時長，並進一步分析雙指數函數的時間常數和閾值電壓偏移量後，分解出兩大造成閾值電壓偏移的物理機制：p型氮化鎵層裡的電洞缺乏效應和氮化鋁鎵位障層內的電子陷阱捕捉。實驗結果表明，在較高的操作頻率下，更短的導通時長會限制電洞的回補，進而導致閾值電壓偏移量的增加。結果也顯示，當電洞缺乏更嚴重時，不僅會使閾值電壓偏移量增加，也會引發更強的內建電場，進而加速電洞的回補與電子釋放，展現出高頻操作下反而加速閾值電壓恢復的現象。 圖一、閾值電壓偏移隨恢復時間的變化與雙指數函數擬和之結果。顯示了動態應力的頻率增加會導致閾值電壓偏移的增加。 圖二、高頻應力使電洞缺乏更嚴重，建立了更強的內建電場，進而使電動回補的速率變快，加速了閾值電壓恢復。

— 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 —

球狀閃電是否為相對論孤子？

球狀閃電的本質尚未完全明瞭。有研究提出，其可能源於一種穩定的電磁能量團，即所謂的孤子（soliton）；然而，此類結構通常僅存在於微觀尺度。近期，高功率雷射實驗已成功產生毫米級的相對論孤子，顯示此類結構確有可能解釋球狀閃電現象。

解釋球狀閃電形成的主要假說之一，源自莫斯科物理問題研究所（Institute for Physical Problems in Moscow）卡皮察（Pyotr Kapitza）於1955年提出的早期模型。該模型認為，在閃電擊中時，快速電子束被加速並產生微波輻射（如圖一a）。近期，浙江大學聚變理論與模擬研究所的Hui-Chun Wu進一步擴展此模型，探討由常規閃電產生的電漿中，電磁場自組織所導致的電磁能量空間侷限，進而形成孤子。Wu的尺度分析顯示，微米級孤子的已知性質在原理上可外推至厘米級結構，並能對其電磁與輻射特性作出定量估算，包括由受困場加熱離子所產生的輻射—這些特徵與雷暴觀測結果相符。雖然相對論孤子已在雷射電漿中得到深入研究，但迄今尚無實驗證據表明類似結構能在更大空間尺度下存在，並由不同物理機制生成。

在Nature Photonics發表的最新研究中，Zhou等人報導了一項實驗：飛秒級高強度雷射脈衝照射於一根細小的鎢奈米線（圖一c）。雷射脈衝加速電子，進而激發表面電磁波—具體而言，即表面電漿極化激元（surface plasmon polariton）。此一機制是雷射與固體靶材相互作用的典型特徵，並已知能產生高階諧波。最終，它沿著奈米線導引出一個近似單週期的強烈電磁脈衝。

電磁孤子的產生與球狀閃電物理密切相關，並展現多種非線性效應，包括破裂波（wave breaking）（類似於海浪在岸邊破碎）以及波頻率對振幅的相對論依賴，進而導致繞射的相互抵消。在特殊相對論極限下，電漿中傳播的電磁波振幅增加會導致頻率下降，此現象稱為非線性頻率下移。該下移使得電磁波能夠被困於自形成的共振腔中。由此，孤子既可以在長距離傳播而不失真，也能在局域範圍內長時間保持結構穩定，這一點已在實驗中得到明確證實。

在奈米線的錐形末端，表面電漿極化激元產生一個緩慢膨脹的球狀、毫米尺度的發光結構—孤子（圖一b），其後演化為後孤子（post-soliton）（圖一d）。當相對論強度的電磁波在電漿中傳播時，其部分能量會轉化為孤子，而孤子包含了電磁波能量的顯著比例。隨後，在輻射壓力的作用下，電漿被向外推擠，形成緩慢膨脹的腔體，該腔體在離子與電子密度分布中保留了電磁場。這些規則結構可在離子密度分布中觀測到，並伴隨光子與帶電粒子的輻射。其內部電磁場於兆赫茲頻率範圍內振盪，測得的壽命約達100奈秒。

該實驗展示了孤子在奈米線尖端形成並轉化為後孤子的過程，其能夠保持局域化，原因在於基態孤子模具有零群速度。此種靜止行為與自然球狀閃電緩慢漂移的報導相符，其運動主要受環境風場平流作用所支配。作者同時提供了光譜測量結果，揭示了輻射冷卻的動態過程，這是建立球狀閃電熱力與輻射特性模型的關鍵要素。觀測到的結構形態與冠狀放電（如尖銳導體端點的聖艾爾摩之火（St. Elmo’s fire））明顯不同。綜合證據強烈支持其作為相對論電磁孤子的詮釋，且其尺度比典型相對論雷射電漿中所產生的孤子大了數個數量級。

研究團隊進一步探討了當電漿中輻射壓力與熱壓力的平衡被打破後，孤子隨之崩解所產生的輻射。其高能光子輻射可達10 keV，與相對論兆赫茲孤子的粒子模擬結果相符，同時在質性上再現了自然球狀閃電所觀測到的紫外與X射線輻射。

雖然Zhou等人的研究尚未完全再現球狀閃電的全部特性，但在生成機制、動態行為與觀測表徵方面，已提供了令人信服的原理性驗證（圖二）。該研究確認孤子參數可外推至更為真實的宏觀範疇，並為後續利用所謂的質性尺度分析與建模探討此一引人入勝的現象奠定基礎。研究結果亦顯示，強大的兆赫茲脈衝能夠連結單粒子光–物質效應與電漿集體行為，為研究極端相互作用開啟新途徑。此發現暗示，兆赫茲驅動的孤子結構或可啟發緊湊型能量儲存概念，並支持先進技術與自然大氣現象的探索。毫無疑問，這項工作代表了朝向解開球狀閃電長久謎團的重要一步。