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當閘極開始控制光：台日合作研究的突破，正在重新定義未來光子晶片
在國科會計畫支持下，中研院應用科學研究中心呂宥蓉副研究員（第1排左3）成功開發以「氮化鉿（HfN）」表面電漿子閘極調控二維半導體發光的新型元件設計。
下一代電腦晶片需要什麼？
如果是在十年前，多數人的答案可能是更快的電晶體、更小的製程節點，以及更強大的運算能力。然而當人工智慧、大型資料中心與量子科技快速發展，全球半導體產業開始面對另一項挑戰：電子傳輸的速度與能耗正逐漸接近極限。
因此，愈來愈多研究人員相信，未來資訊處理的重要關鍵，可能不再只是電子，而是光。
光能以極高速度傳遞資訊，同時降低能量損耗。從資料中心到量子運算，從高速通訊到人工智慧運算平台，光子技術正被視為下一波運算革命的重要基礎。然而，要讓光真正進入晶片並成為資訊處理的一部分，科學家仍必須克服一個核心問題：如何像控制電子一樣精確地控制光。
在這個背景下，國科會「奈米科技創新應用計畫」支持中央研究院應用科學研究中心副研究員呂宥蓉（Yu-Jung Lu）與日本東京大學化學工程系童俊智教授研究團隊共同完成的一項研究，提出了一種全新的答案。相關成果於2026年發表於《Nature Photonics》，不僅展現一種新型光電元件架構，更可能改變未來光子晶片的設計思維。
長久以來，閘極（Gate）一直是半導體元件中最重要的控制元件之一。從智慧型手機到高效能運算晶片，閘極的角色都是透過電壓調控電子流動，決定元件是否導通。然而在傳統觀念中，閘極的工作僅限於電子世界，它負責控制電流，卻無法直接參與光的調控。
這項台日合作的研究突破，正是在於打破了這項界線。
研究人員利用一種名為氮化鉿（HfN）的過渡金屬氮化物材料作為閘極。與傳統矽基或金屬閘極不同，氮化鉿除了具有良好的導電能力外，還擁有特殊的表面電漿子特性。這種特性能夠在奈米尺度上壓縮並聚集光場，使原本分散的光能量集中於極小區域，大幅提升光與材料之間的交互作用。
研究團隊進一步將大面積單層二硫化鉬（MoS₂）整合於氮化鉿閘極之上。二硫化鉬是近年來備受矚目的二維半導體材料，其厚度僅有單一原子層，卻展現出豐富的光學與量子特性，因此被認為是未來光電元件與量子光子技術的重要候選材料。
透過氮化鉿閘極提供的電場與光場協同作用，研究團隊成功實現對材料內部量子準粒子狀態的精準控制。其中最引人注目的是三激子（Trion）發光訊號的主動調變能力，相較於傳統矽閘極元件，調控效率提升約5倍。當研究人員進一步導入電漿子奈米共振腔結構後，元件的發光強度甚至可提升至原本的46倍。
這些數據固然亮眼，但真正值得關注的並不是發光增強了多少倍，而是這項研究所揭示的新概念。
在傳統晶片中，控制電子與控制光通常需要不同元件完成。然而在這項研究中，閘極首次同時具備電子控制與光學控制功能。它不再只是負責開關電流的被動元件，而成為能夠主動操控光場、載子分布以及量子態的新型功能平台。
換句話說，未來光子晶片中的閘極，或許將不再只是「電的閘極」，而是兼具電子與光子控制能力的核心節點。
這項突破的重要性，也與全球半導體產業的發展方向密切相關。
隨著AI模型規模快速成長，資料中心內部的資訊傳輸需求正以前所未有的速度增加。許多國際科技企業都在積極發展光互連技術，希望利用光取代部分電子訊號傳輸，以降低能源消耗並提升運算效率。然而，若要讓光真正進入晶片內部並參與資訊處理，研究人員必須找到更有效率的光控制方法。
氮化鉿電漿子閘極所展現的能力，正好提供了一種新的可能性。由於氮化鉿本身具有優異的熱穩定性，且與現有半導體製程高度相容，因此比起許多僅停留在實驗室階段的新材料，更具備未來整合至實際晶片製造流程的潛力。
從可重組光源、低功耗光調變器，到晶片級光通訊與量子光子元件，這項研究所提出的架構都有機會成為重要基礎。
科技史上，真正改變產業的突破往往不是單純提升性能，而是重新定義元件的角色。電晶體之所以改變世界，不只是因為它比真空管更小，而是因為它改變了資訊處理的方式。
而在光子科技逐漸走向主流的今天，此一台日合作研究團隊的研究則提出了一個值得關注的新方向：未來的閘極，或許不再只是控制電子，而是同時控制光。
當電子與光開始在同一個元件中被協同調控時，下一代光子晶片的藍圖，也正逐漸浮現。
論文資料:
Peng, TY., Lin, CH., Qi, K. et al. Giant trion modulation in scalable monolayer MoS2 via plasmonic HfN gates. Nat. Photon. (2026). https://doi.org/10.1038/s41566-026-01921-3
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