〈研之有物〉突破光學極限，打造奈米雷射元件──呂宥蓉

電漿光子奈米雷射研究

如同摩爾定律的預測般，電晶體元件的尺寸在過去數十年間不斷縮小至奈米尺度，帶來了科技與工藝的精進創新。但發光與雷射元件，卻受限於繞射極限而難有突破。然而，中研院應用科學研究中心的呂宥蓉助研究員，在碩博士時期與團隊不斷突破光學和自我極限，成功開發出半導體奈米雷射。

雷射的原理與光學繞射極限

1916 年，愛因斯坦首次探討描述了原子有「自發輻射」與「受激輻射」的可能性。他認為被激發的高能態原子，會有兩種回到低能量狀態的過程。一種是自行釋放出光子而回到低能態的自發輻射；另一種則是如果照射「特定波長」的光子，可以刺激原子提前釋放出，與原照射光波長相同光子的受激輻射。

1958 年， Charles H. Townes 在分子光譜學的研究中，構想出可利用「受激輻射」的原理來得到指定波長的光；他的同事 Arthur L. Schawlow 提出在激發出光的物質兩端，裝上兩面反射鏡，讓激發光不斷在物質內部來回來反射，由於「受激輻射」的發射速率超過吸收速率，透過此構想，便可實現光放大效應，讓指定波長的光不斷地增強。

1962 年， Robert N. Hall 等人，提出利用外加偏壓，讓半導體中價電帶的電洞與導電帶的電子產生能階差，當高能階的電子躍遷回價電帶與電洞結合時，能量便會以「光子」的形式釋出，釋出的光子會在半導體 PN 接面之間，因為半導體的光滑晶格面，而不斷反射累積光能量，形成「共振腔」的結構，而設計出「半導體雷射」。

今日我們所稱的「雷射 (LASER) 」，就是「受激輻射所產生的光放大 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 」的縮寫。

「雷射」其原理是先利用輻射，刺激特定的物質，讓物質內原子受到激發，使其最外層的電子躍遷至較高的能階。

當電子處於高能階時，再給予特定頻率的輻射 (光) 照射，而使電子躍遷回較低的能階，並釋放出與照射光相同頻率的光子。如果，我們將產生光子的原子，利用兩個設置於雷射物質兩端的反射鏡，讓光子在雷射物質內來回反射，而繼續激發更多的電子躍遷，就能夠不斷累積同頻率的光子。

在這兩面反射鏡中，其中一面能完全反射光子，另一面則允許小部分光子穿過，所穿過的光子束即為雷射，具有發散低、功率高的特性。小至單一晶片的二極體雷射，大至用作促成核融合的釹玻璃雷射，都是雷射的應用尺度。

然而，對於微電子元件的設計上，雷射元件的「微型化」一直有其阻礙。這是由於能促成雷射功率不斷放大增強的關鍵，是由兩個具有反射效果的反射鏡或反射材質，所組成的共振腔。

在過往的研究中，共振腔受到「繞射極限」的限制，最短需要半個波長的大小，以波長 650 奈米的紅光雷射來看，共振腔的長度至少需要 325 奈米。相比起今日各類電晶體元件已能做到十幾奈米的尺寸，光子元件的微型之路，因為光學「繞射極限」這個基本物理限制，而遭受到了阻礙。

電漿子共振腔 縮小雷射元件的體積

以「電漿子共振腔」取代「傳統光學共振腔」，就能將雷射元件體積減少到遠小於可見光波長的奈米尺度！

2012 年，還在就讀清華大學物理學系博士班二年級的呂宥蓉，在果尚志教授的研究團隊中，將「單根氮化銦鎵奈米柱」與「電漿子共振腔 (plasmonic cavity)」 結合，取代傳統光學共振腔，將雷射元件體積減少到遠小於可見光波長的奈米尺度，開發出史上最小的電漿光子奈米雷射。並證明利用電漿子共振腔，可使半導體雷射元件不受限於光學繞射極限，而能大幅縮小雷射元件尺寸。

這是由於研究團隊所開發的電漿光子奈米雷射中，對於雷射功率的增益，並非利用傳統由兩面具有反射效果的材質所組成的光學共振腔，而是改以「電漿子共振腔」取代。

電漿子共振腔是由「金屬－氧化物－半導體 (Metal-Oxide-Semiconductor, MOS) 」所組成的奈米結構。這是利用金屬在與介電質 (氧化物) 的交界面，會有形成表面電漿極化子 (surface plasmon polariton, SPP) 的特性。

因此，研究團隊在矽基板上，與德州大學奧斯丁分校物理系施志剛教授合作，利用磊晶技術長出一片原子層平坦的銀膜 (Epi-Ag film) 作為低損耗的電漿子傳遞平台，在其上鍍一層五奈米厚的二氧化矽 (SiO2) 作為低折射率的介電層，最後放上利用分子束磊晶技術製作的氮化銦鎵／氮化鎵核殼結構奈米柱 (InGan@GaN core-shell nanorods) 作為雷射必須的增益介質。

氮化銦鎵／氮化鎵核殼結構奈米柱是一個各邊邊長 30 奈米的六角形晶柱。當外加能量激發奈米柱時，氮化銦鎵會釋放出「光子」。這些光子，與銀膜和二氧化矽介電層之間的表面電漿極化子共振頻率均在「可見光」波段，光子與表面電漿極化子之間並有一對一的對應狀態，能讓光子與表面電漿極化子產生耦合形成混成態。

這讓「光子」因為與「電漿子」耦合，而被侷限在「二氧化矽介電層」之中不斷累積能量，如同傳統雷射的光學共振腔，但卻不受繞射極限的限制。

光運算、光通訊效能 有機會大幅提升

不受繞射極限的電漿共振腔，讓雷射元件的尺寸大幅縮小至數十奈米的級別，不僅尺寸上與今日積體電路製程常用的「互補式金屬氧化物半導體 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS) 」可互相匹配，且同為 MOS 的結構。

「電漿子奈米雷射元件」的發明，意味我們將有機會在電子元件的架構上，利用雷射元件發展高速、寬頻、低功耗的光運算器與光通訊系統。

突破光學的繞射極限，為光運算與光通訊時代奠定了關鍵的基礎。但呂宥蓉認為這個領域在未來仍有許多有待發展的方向，例如研發「電激發光」的奈米雷射來取代現有的「光激發」奈米雷射；或是將雷射的應用環境，從目前主流的低溫研究拓展至室溫中，可為未來在積體電路上整合光電元件有所助益。

另外，該研究也有助於在生物醫學應用上發展超高解析生物影像；在材料上減少貴金屬的使用，改研發低損耗的陶瓷電漿子材料──氮化鈦、氧化銦錫、氮化鋯，此為在美國加州理工做博士後研究兩年期間獲得的靈感。同時因應目前單光子材料開始受到重視，呂宥蓉也計畫研究可以電壓控制之單光子的行為。

最終能更理解材質與光的特性，化為操作光的技術，應用至生物感測器、量子電腦、可撓式顯示器等尖端科技。

「我喜歡思考有什麼可以做，並真的做出來！」

傑出的研究成果與高瞻遠矚的發展眼光，往往來自長年努力的累積與幸運的眷顧。呂宥蓉在碩二、博一期間連續在以第一或主要作者，登上 APL 封面論文，博二時更以不受限於光學繞射極限的「電漿光子奈米雷射」研究成果，刊登於 Science 期刊。

面對如此進展迅速的研究成果，呂宥蓉謙虛地表示，這其實沒有什麼特別的秘訣，也不能算是進展比別人快，只是把一天 24 小時當成 36 小時用，犧牲了睡眠與娛樂機會，才能有這些成果。

奮不顧身的研究投入，植基於對科學的熱愛、對自我專長的理解、與環境的支持。呂宥蓉從大學期間，就發現自己熱愛實驗與儀器組裝、操作，喜歡想像並嘗試各種材料與理論的組合。更重要的，是求學期間指導教授果尚志老師，認為研究生應有獨立研究能力與追求科學價值的治學理念。

知止而後有定，定而後能靜，靜而後能安，安而後能慮，慮而後能得。

呂宥蓉特別引用了《大學》裡的前人智慧，與同在研究之路上的學弟妹們勉勵，也為今日的成就下了安心踏實的註腳。

原文連結：突破光學極限，打造奈米雷射元件──呂宥蓉

延伸閱讀：

• 呂宥蓉的個人網頁
• Yu-Jung Lu, Ruzan Sokhoyan, Wen-Hui Cheng, Ghazaleh Kafaie Shirmanesh, Artur Davoyan, Ragip A. Pala, Krishnan Thyagarajan, and Harry A. Atwater* "Dynamic Controlled Purcell Enhancement of Visible Spontaneous Emission in a Gated Plasmonic Heterostructure" Nat. Comm. 8, 1631 (2017)
• Ruzan Sokhoyan, Ghazaleh Kafaie Shirmanesh, Yu-Jung Lu, Krishnan Thyagarajan, Ragip A. Pala, and Harry A. Atwater, “Tunable Optical Response and Purcell Enhancement of Gated Plasmonic Structures”, Optical MEMS and Nanophotonics 10.1109/OMN.2017.8051450 (2017)
• Lu, Yu-Jung, et al. "Plasmonic nanolaser using epitaxially grown silver film." science 337.6093 (2012): 450-453.
• Lu, Yu-Jung. "氮化物半導體電漿子奈米雷射之研究." 清華大學物理學系學位論文 (2013): 1-128.