國科會新聞稿研發成功全球最小的半導體雷射–臺灣研究成果獲刊科學-Science國際期刊

學術論文：Plasmonic Nanolaser Using Epitaxially Grown Silver Film, Science 27 July 2012: 450-453

出處：http://www.sciencemag.org/content/337/6093/450.abstract?sid=18669670-f77e-4430-98fe-707e3e072dcf

國立清華大學物理系教授果尚志、材料系教授陳力俊及美國德州大學奧斯汀分校物理系教授施至剛 (清華物理77級校友)所帶領的國際研究團隊，在國科會奈米國家型計畫、自然處及工程處經費支持下，成功突破傳統半導體雷射受限於光學繞射的極限，研發出史上最小的半導體奈米雷射，並證實這種新型雷射—電漿子奈米雷射(Plasmonic Nanolaser)—可被用來實現突破三維(3D)繞射極限的半導體奈米雷射。此項研究成果已於2012年7月27日發表於頂尖期刊—「科學」(Science)。

半導體雷射的微小化是未來發展高速、寬頻、低功耗光運算器與光通訊系統的關鍵。尤其將半導體雷射的三維尺寸縮小至次波長等級，以與積體電路中的電晶體尺寸相匹配，且其操作速度可高過電晶千倍以上，更是當今電科技的研究焦點。然而傳統半導體雷射受限於光學繞射極限，其光學共振腔尺寸至少需在其發射光波長的範圍；如何成功發展出可突破繞射極限之新型半導體雷射已成為當今光電與材料科技之重要挑戰。

近年來為了推翻半導體雷射的尺寸限制，科學家提出了利用電漿子共振腔(Plasmonic Cavity)來取代一般光學共振腔(Optical Cavity)的構想。電漿子共振腔利用在貴金屬表面形成光子與電漿子（Plasmon，自由電子雲相對於貴金屬原子核的集體振盪）的耦合態，以達成構成雷射必需的回饋機制(Feedback Mechanism)。但現有文獻中所採用的貴金屬材料(Nobel Metal,金或銀)與半導體增益介質(Semiconductor Gain Medium)，是否真能夠克服3D侷限電漿子共振腔的高能量損耗，仍然是最嚴格的挑戰。

到目前為止，絕大部分的電漿子元件是採用多晶系(Polycrystalline)銀膜為基材。但由於其表面粗糙以及存在晶界(Grain Boundary) 之故，使得表面電漿子因散射而造成很大的能量損耗。因此，這也意味著若以多晶系貴金屬材料製作電漿子共振腔，所製作之電漿子雷射會需要很高的雷射臨界驅動功率，且無法以連續波 (Continuous Wave, CW)出光模式運作。因此，原子等級平坦及單晶的銀膜是理論上最好的低損耗電漿子共振腔材料，但實際上，成長在半導體表面之銀膜皆為多晶形式。施至剛教授的實驗室利用新穎量子磊晶方法(Quantum Epitaxial Growth)成長原子級平坦的單晶銀膜於矽基板上;此銀膜具極佳的結晶性質，在本研究中用來製作低能量損耗的電漿子共振腔。

在半導體增益介質部份，果尚志教授的實驗室(第一作者呂宥蓉(博二研究生)、共同作者陳虹穎博士及王俊元(博二研究生))長期致力於三族氮化物半導體及其奈米結構之研究，在本研究中利用分子束磊晶方法(Molecular-Beam Epitaxy, MBE)成長氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)核殼(Core-Shell)結構奈米柱;其中作為綠光發光增益介質的InGaN除了具有極高的光增益係數，陳力俊教授的實驗室(呂明諺博士)更利用超高解析球面像差修正穿透式電子顯微鏡，驗證了扮演增益介質角色的InGaN/GaN奈米柱具有完美結晶特性及核殼結構。

呂宥蓉同學在本研究中成功地將單根奈米柱與低損耗的電漿子共振腔結合，實現了可以連續波方式出光且具有極低雷射臨界功率(Lasing Threshold)的電漿子奈米雷射。交通大電子物理系教授張文豪實驗室並提供重要的單光子量測技術，首次證實了電漿子雷射的時間同調性。

最近幾年為了克服電子元件和光學元件之間嚴重的尺寸不匹配，科學家基於電漿子具有突破繞射極限的能力，紛紛投入奈米電漿子的相關研究。然而，一般的電漿子元件仍難以克服其本質性高能量損耗的特性。透過成功開發最小的半導體電漿子雷射，本研究開展了一個全新的途徑，提供一個主動式奈米電漿子系統(Active Plasmonic System)的典範。此研究成果除了能促成在單一矽晶片上整合電漿子及奈米電子元件的發展平台，並能為未來發展積體整合型高速、寬頻、低功耗光世代科技開啟歷史性的一頁。