【全球首創】臺灣團隊開發太陽能材料雷射，有望取代半導體光纖！

2021-03-11 15:04:57

能源與積體電路產業日新月異，目前全球IC 製作已邁入數個納米以下之微小製程，然而，目前業界普遍使用的半導體材料，仍使用昂貴的製程設備。

針對此問題，臺灣團隊首創運用常見於太陽能板的鈣鈦礦材料，開發出平價且極低能耗的創新雷射元件，有望整合進現有半導體積體電路、進入商業應用，不僅省錢，更搭上當前的節能與微小化趨勢。

臺灣團隊結合太陽能材料鈣鈦礦與光纖，研發出更輕薄、節能、平價的雷射元件，今年2月登上國際頂尖學術期刊先進材料（Advanced Materials），未來有望取代現有半導體雷射，可說是積體光路領域重大突破。

臺灣團隊成功找到關鍵技術，將太陽能材料、雷射與半導體積體電路（IC）整合

鈣鈦礦是一種過去比較常使用在製作太陽能板的材料，研究團隊這次把鈣鈦礦塗抹在光纖上，發展出全球首創可以在室溫下操作、低耗能的太陽能材料雷射，未來有機會可以整合進現有半導體積體電路。

業界耳熟能詳的「積體電路」一詞，事實上，因為光的傳遞訊號速度更快，有潛力提高資料處理效率，因此研究上一直都有在往「積體光路」發展。

平價、簡易、可量產的光纖製程，有望取代現有的半導體雷射

相比於業界使用的半導體材料，需要使用昂貴的製程設備。團隊研發出的雷射元件具備製程更省錢、更能跟積體電路整合的優點。

該研究團隊率先提出以平價低製作成本、簡易且可量產塗布法，將納米級鈣鈦礦披覆於具原子級平整度之高品質單晶光纖上。

在室溫下實現極低能耗太陽能材料雷射，一舉突破科學界多年來所侷限瓶頸，為全球首創。

此外，搭配納米尺度檢測，解開單晶光纖本身高導熱係數與兼具微型共振腔等特性，顛覆以往科學界對鈣鈦礦熱不穩定性和必要脈衝雷射光驅動之認知，並大幅縮小雷射體積至比人類頭髮直徑更細小的單晶光纖上，有效融合光纖波導的光學特性和鈣鈦礦材料的增益特性。

團隊開發出平價、簡易、可量產的製程，把比人的頭髮還細的光纖浸泡到鈣鈦礦溶液中，高溫烤一烤後，就能形成平價的發光材料，同時克服現有鈣鈦礦雷射散熱不佳，只能在低溫環境操作的問題。

多數鈣鈦礦雷射因天生散熱性較差，僅能於低溫運作，無法相容於室溫下操作的全光化積體電路，且有違節能願景；再者，多數鈣鈦礦雷射仰賴昂貴脈衝雷射驅動，相較於微型光纖元件，脈衝雷射驅動代表大體積與高維護成本，在與IC 平臺整合上，困難度大增。

團隊研發出的太陽能材料雷射，由於本身就是光纖，有利後續對接積體電路中的光纖，並縮減元件體積。這項太陽能材料雷射未來如果能用電激發，有機會進入商業應用，取代現有的半導體雷射。

此外，只要調整鈣鈦礦的元素組成比例，就可以輸出不同波段的紅光、綠光、藍光等，具客製化彈性。未來在跨領域應用上，可以大幅降低積體光學鏡片的複雜度跟門檻。

團隊研究成果不僅彰顯臺灣雷射技術領先全球，也可以滿足下世代全光化積體電路更小、更節能的必要需求，為能源材料與半導體IC 整合取得先機。

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