在未來綠色能源科技方面，本實驗室近年來致力於間隙能帶(intermediate band)太陽能電池之研究，透過錳摻雜技術在氮化鎵材料能隙間營造一個由雜質能階所形成之間隙能帶，這讓太陽能電池有機會吸收能量小於主材料能隙的光子，進而提升電池之效率。目前在這方面，我們是已知在全世界首次以實驗證實錳摻雜氮化鎵具有形成顯著間隙能帶光電響應之實驗室，並將此一結果應用於提升氮化鎵太陽能電池之效率的研究，目前本實驗室有能力成長此一具有元件等級之高品質錳摻雜氮化鎵薄膜，下圖所示為錳摻雜氮化鎵薄膜所展現之中間能帶光電響應穿透圖。相關之研究已發表在Appl. Phys. Lett., 103, 063906(2013) Scientific Reports, 8, 8641 (2018) 等。

在這方面的研究中，在1-sun AM1.5G光照條件下，與沒有Mn摻雜的元件相比，具有Mn（錳）摻雜的AlGaN / GaN異質結構太陽能電池展現了5倍光電流，其轉換效率的顯著提升可歸因於與錳相關的能量狀態所引起的光吸收有關，並據此貢獻額外的光電流。從摻錳元件獲得的電致發光光譜和光譜響應特性分析得知，如下圖所示在AlGaN / GaN吸收層內，Mn相關能態在能隙內形成間隙能帶（Intermediate Band），此間隙能帶引起subband gap absorption，進而增加AlGaN / GaN異質結構太陽能電池之短路電流。請詳見Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 157, 727–732 (2016)。

有許多種類材料都可以當作光電解水產氫的工作電極，例如：氧化物或是低能隙的半導體。然而在實際應用上，這些氧化物受限於可用的太陽光譜有限，導致光電解水時的光電轉換效率不高，且低能隙的半導體材料，如：磷化銦，砷化鎵、硒化鎘，雖可較有效地吸收太陽光，但這些材料很容易被酸性或鹼性溶液腐蝕。氮化鎵系列的材料對於光電解水反應而言是一種可行且具有發展潛力的材料，因為它的能帶邊緣電位不僅可以滿足光電解水的需求，同時也有不錯的耐腐蝕能力。除此之外，可藉由改變氮化銦鎵(InxGa1-xN)的組成比例來變化其能隙大小。本主題是藉由氮化銦工作電極進行光電解水同時產生氫氣（H2）和將二氧化碳轉換成甲酸（HCOOH）的研究，甲酸是重要工業原料及有潛力的儲氫分子，常溫常壓下包含的氫氣成份比其他儲存溶液多，並且分解出來的氫氣不用再經過淨化處理即可直接利用，利用人為光合作用(artificial photosynthesis) 將二氧化碳轉化的研究領域中，目前仍面臨了低效率、低穩定性、及光腐蝕等問題有待解決。氮化銦鎵系列材料具有直接能隙、抗酸鹼腐蝕能力高、導電帶高於二氧化碳還原甲酸電位，不只能用於光電解水產生氫氣也能轉化二氧化碳產生甲酸，但因為其能隙太大，只能吸收少部分的太陽能光譜，轉換效率被限制住。若在相同的照光環境下想增加轉換效率必須要提升陰極光電子的數目，也就是提升整體反應的光電流，方法之一是增加半導體光陽極的光生載子量。本實驗室利用雙面磊晶的技術成長InGaN / GaN於雙面拋光的藍寶石基板上，其中摻有Si的InGaN和GaN層分別生長在藍寶石基板的兩個表面上，以此製作之光電極可增加光吸收量。除此之外，本研究中使用的電解質是NaCl和水的混合物，這是一種環保的水溶液，而不是人造的酸或鹼溶液，例如HCl或KOH。本研究採用食鹽水作為電解質，為以後使用海水做為電解質開了一扇窗，未來本技術進入實用階段之後，可以直接以過濾之海水為反應所需之電解液，這將更具環保性與經濟性。本論文是文獻中第一次揭露此一設計，將InGaN和GaN層雙面磊晶片製成工作電極，展現出更高的氫氣產生量和CO2還原速率。HCOOH和H2的轉換效率估計分別為1.09％和5.48％，前者與植物的光合作用相比已高出許多，這為降低大氣中的二氧化碳水平提供了一個有潛力的方案。請詳見Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 157, 727–732 (2016)及Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol.202, 110153–90 ( 2019)。

為提升電源轉換效率，傳統上以FET元件作為電源轉換(例如AC-DC converter)的切換元件，是以Enhanced-mode FET為主。近年來，Enhanced-mode GaN FET的需求急遽增加，但其製作上仍有些瓶頸。最常見的Enhanced-mode GaN FET須有一p-GaN柵極層，對於柵區p-GaN的再生長或圖案化蝕刻，常使用氫氟酸(HF)酸蝕刻劑對由薄介電膜SiO2或SiNx構成的遮罩層進行圖案化，磊晶再生長後去除殘留的遮罩層。但再生長過程中，遮罩材料（如SiO2或SiNx）外擴散引起的雜質污染會導致晶體質量下降。本研究展示了一種 AlGaN/GaN 異質結構場效應晶體管 (HFET)，其技術特徵是使用在汲極和源極區域的Si 離子佈植作為遮罩層，通過選擇性區域磊晶再生長技術形成p-GaN 閘極層，克服習知設計之缺點使晶體品質提升，進而使FET更省電，進一步使電源轉換效率提高。

開發取代圖案化藍寶石基板(Patterned sapphire substrate_PSS)之研究: PSS基板現已是國內各主要氮化鎵LED晶粒製造工公司在磊晶成長晶片製程中必備之原物料，因為比起傳統平坦表面之藍寶石基板，其可使得LED晶粒的功率至少提升40%，但相關專利都掌握在國外大廠，例如Nichia、Mitsubishi及Lumileds。此等專利主要訴求都在於強調藍寶石基板表面具有凹凸起伏之圖案，使得成長氮化鎵LED磊晶層後，得到一粗糙化之GaN/saaphire介面(如圖一之示意圖所示)，以利光子之散射進而增加出光效率。本實驗室利用離子佈植製作具有實質平坦化之基板，這有別於傳統之PSS基板具有凹凸起伏之表面。直接將氮化鎵磊晶薄膜成在局部區域之晶格已遭破壞之藍寶石基板上，使得選擇性成長發生在半導體磊晶層與基板之間，而在此一介面產生孔洞以促進光散射(如圖二、三之示意圖所示)，進而提高藍光LED的發光效率，此技術可取代傳統之PSS基板並突破國外廠商之專利障礙。相關之研究已發表在學術期刊論文[1-6]。另一方面，本實驗室近年來利用光子循環結構(photon-recycling structure)為核心，透過疊加半導體量子井轉換層於電激(electrical pumping)發光量子井之上的方式，希望以此量子井轉換層來取代螢光粉以製作白光LED。此結構在注入電流時可令電激發光之量子井所放射的高能量(短波長)光子於轉換層被吸收後釋放出不同波段的光子，進而組成白光光譜來取代傳統多色LED晶粒組合的白光LED或螢光粉白光LED。就元件設計而言，磊晶結構下部的電激發光量子井層之能隙通常會較上部的光激發光量子井轉換層之能隙來得大，如此一來才能使具有較高能量之電激發光子於能隙較窄的光激發光轉換層中被吸收，使元件達成具備光子循環效果之目的，藉由此設計概念，本實驗室已製作出單晶粒且有4個波峰所組成之低色溫及高演色係數的高效率白光發光二極體，圖四為代表性之低色溫及高演色係數白光LED的發光光譜。相關之研究已發表在Optics Express及IEEE TED等相關期刊。

傳統的螢光粉白光LED包括藍色LED以及黃色螢光粉，其中藍色LED發出藍光用以激發黃色螢光粉，而黃光螢光粉吸收部份藍光被激發出黃光進而與其他部分的藍光結合成雙波峰白光光譜，因此很難達到高色溫及高演色係數。近年來白光LED做為可見光通信（VLC）系統的光源已被認為是極具潛力。由於LED是基於半導體之放光，它們可以比傳統的白熾燈或螢光光源明顯更快地被調制(modulation)，並且可以與驅動它的電子元件積體化。目前基於LED的VLC系統通常使用傳統的螢光粉白光LED，其通常僅具有10-20MHz數量級的電至光(E-O)調制頻寬，因此傳統的白光LED應用在VLC領域中仍遭遇到許多挑戰。目前製作白光LED的方式分為兩大類，其一為螢光粉白光LED，而另一種為採用紅色、綠色、藍色LED晶片組合而成之白光LED。傳統的螢光粉白光LED包括藍色LED以及黃色螢光粉，其中藍色LED發出藍光用以激發黃色螢光粉，而黃光螢光粉吸收部份藍光被激發出黃光進而與其他部分的藍光結合成白光。一般來說，螢光粉被光線激發的發光機制為磷光發光（Phosphorescence），而磷光發光的生命週期約10-3至102秒之間，因此由螢光粉所發出來的光頻之調制頻寬（Modulation Bandwidth）有限，一般不超過10MHz。因此，螢光粉白光LED較難以直接應用於可見光通訊系統中的高位元率（high-bit-rate）的資料傳送器，通常需要加上濾光器(filter)將發自黃色螢光粉的黃綠光濾除。另一方面，相較於螢光粉白光LED，由紅光、綠光以及藍光三種LED晶片所組成的白光LED所發出來的白光，其整體調制頻寬不受反應速度較慢的螢光粉所影響，可以提供更高的調制頻寬，因此可以同時應用於高位元率的資料傳送器以及照明裝置。但由成本的角度來看，白光LED由紅光、綠光、藍光三種不同的LED所組成，其所需要用到的LED的個數以及種類較多，也因此種白光LED的驅動電路也較為複雜，故成本也較為高昂。再者，由於三種LED的生命週期不同，此種白光LED使用一段時間後，會造成白光LED在色溫表現上的信賴度下降，而需搭配色彩感應器校正白光以及改變初始的驅動條件以達到初始白光LED的白光色溫。於是，發展一個較低成本且可適用於VLC通訊系統的白光LED係為目前研發人員亟欲解決的問題之一。本實驗室近年來開發之光子循環結構LED有潛力成為VLC系統所用之白光LED光源，因為這樣的設計可省去反應速度較慢之螢光粉，直接以磊晶成長方式堆疊綠色、藍色或紅色量子井在近子外光發光成之上扮演螢光粉之角色，並達成單一晶粒多波長發光之LED。傳統串接式單晶粒多波長發光之LED受限於電洞擴散長度太短，很難達成所有堆疊的量子井皆產生電激(electrical pumping)發光，本實驗室近年來所開發之光子循環結構LED是以光激(optical pumping)的方式使所有堆疊的量子井發光，因此可由調整各色量子井層之厚度來控制發光頻譜，並且不需多電極、多晶粒或螢光粉層，這樣的設計將有助於提升白光LED之調制頻寬並適用於VLC通訊系統。Appl. Phys. Lett. Vol.101, 151103(2012) 2. IEEE Electron Device Letters, Vol. 34, No.12, 1542(2013) 3. IEEE J. Quantum Electronics, Vol.48, No.8, 1004(2012) 4. Appl. Phys. Lett. Vol.101, 151103(2012 ) 5. IEEE Electron Device Letters, Vol. 34 No. 12, 1542(2013) 6. ACTA Materialia, Vol.107, 17(2016)。

因應5G與大數據的發展，近紅外光偵測器(NIR PD)的重要性隨著自駕車與機器人的出現隨之增高，然而目前市面上缺乏高響應度且窄頻寬的NIR PD，我們透過塔姆電漿共振(Tamm Plasmons Resononce， TPR)與金屬-半導體-金屬(MSM)結構的結合，製作高響應度與高波長選擇性兼具的NIR PD建立基礎。

本研究使用氧化物介電質(例如二氧化矽/二氧化鈦)或AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs所組成的布拉格反射鏡(DBR)，加上薄金屬膜促成TPR，並將其搭配MSM結構製作極窄頻寬的NIR PD。首先研究製作布拉格反射鏡與金屬薄膜於藍寶石或砷化鎵基板上，並進行TPR結合金屬-半導體-金屬結構的光學特性分析，確認並建立相關TPR的建模參數，進而製作PD元件來進行光電量測。接著利用二維材料作為金屬-半導體-金屬結構的主動層，並利用TPR來進行增益的分析與研究，由於傳統半導體薄膜材料沉積於晶格不匹配的材料層上(例如金)會產生較多的結構缺陷，導致元件暗電流較高進而影響元件性能，為了克服此一難題，我們主要以二維半導體材料取代傳統塊材作為主動層，由於大部分的單層或少層(few-layer)二維材料僅透過凡德瓦力來與其他材料層進行垂直堆疊，因此理論上並不會因晶格不匹配的問題產生過多的結構缺陷，期望能據此改善元件表現。由於材料層之間僅透過凡德瓦力來與其他材料進行垂直堆疊，因此層間的載子傳輸能力及機制對於本研究之核心元件的性能所造成的影響為研究重點，特別是電漿引致的熱載子於層間的傳輸過程。因此我們將所累積之經驗而製造出的可靠元件作為載具，專注於探討載子傳輸的現象。