表3-1 製程流程表 7
表3-2 BCB 加熱固化表 12
圖目錄
第一章 介紹
獲得 index guiding，而在 transverse 方向則利用磊晶的方式在 active region 成長 cladding layer 來幫助橫向光場的 confinement。但是傳統的樑脊式雷射於樑脊蝕刻完成後會有樑脊過深的現 象，對於應用在通訊網路的1.3µm 和 1.5µm 波段之樑脊式雷射，其樑 脊深度約在1.5µm ~ 2µm 深，如此會造成在鍍上接面金屬時容易發生 樑脊側邊金屬不易連接和樑脊角落易產生斷裂的現象，造成雷射整體 阻抗加大；此外，在進行Flip-Chip 封裝時則必須在 submound 上鍍上 夠厚的 Au/Sn，或使用電鍍的方式鍍上夠厚的 Au，使得雷射樑脊兩 旁的空隙得以填滿，才不會產生氣泡，影響雷射的操作，但相對的，
也提高了雷射的製作成本。
為了改善此一問題，我們在雷射樑脊蝕刻完成後，利用光阻塗鋪 機鋪上一層 BCB 高分子材料將整個結構平坦化，將樑脊和其兩側的 高度差縮小到只有幾百Å，如此一來接面金屬不需鍍的很厚便可完整 的覆蓋整個結構，同時也可保護樑脊的兩側，而藉由平坦化，在後段 進行Flip-Chip 封裝時，平坦的表面有利於和 submound 上的金屬做更 完整的接觸，增強雷射的散熱效果並可提高雷射的效率和壽命，而雷 射較平整的表面也有利應用於 OEIC(Optoelectronic Integrate Circuit) 中，並在整合元件時，有效的降低對於光纖或 waveguide 的 alignment 誤差，增加其耦合效率。 off，最後則為雷射的 mounting 和 wire bounding；討論的部分，將對 於製程中可能發生的問題進行討論及尋求改進。
第四章為高速量測系統的架設及元件特性量測，在直流量測部分 我們將以四點探針法量測雷射輸入電流與電壓關係，以及輸入電流和
輸出功率的關係；在交流量測部分，我們將利用comb generator 和一 些高頻元件架設一高速量測系統，應用此一量測系統測量雷射之頻 寬。
第五章為結論部分，本章我們將會針對之前雷射製程、DC 和 AC 量測結果中的問題和需改進的部分加以分析和討論，並尋求解決之 道。
第二章 模擬分析
根據表2-1 磊晶層結構表，將磊晶層各層的參數輸入模擬軟體，
應 用 相 關 函 數 法(Correlation Function Method) 進 行 演 算 ， 所 得 fundamental mode 結果如圖 2-1 與圖 2-2 所示，水平方向(x-direction) 的中心點是在樑脊寬度的中間位置，垂直方向的(y-direction)中心位點 是在量子井區的中間位置。
表2-1 磊晶層結構表
layer Composition Thickness type Refractive index 0 InP Substrate 350µm n 3.148
ridge
BCBBCB
圖 2-1 平坦化雷射光場模擬圖
ridge
圖 2-2 樑脊式雷射光場模擬圖 模擬結果可得：
樑脊式雷射的 FWHM＝3.16µm ×0.8µm，neffect＝3.22481。
平坦化雷射的 FWHM＝3.16µm ×0.8µm，neffect＝3.22482。
由此可知，當我們利用平坦化製程技術將樑脊兩旁的介質，由原 本的空氣，改用 BCB 高分子材料後，光場的傳播分佈並沒有造成很 大的影響，原因是空氣折射係數為1， BCB 折射係數約為 1.6，對整 體結構來說，有效折射係數的變化並不太大，因此對整個光場的傳播 分佈也不會有太大的影響。
第三章 元件製作
本章將詳細說明平坦化雷射的製程方式，表 3-1 為整個製程的流
程表: 晶圓清洗
RIE 乾蝕刻 BCB 塗鋪烘烤
SiO2濺鍍 去除光阻 樑脊蝕刻 曝光顯影
封裝 回火 金屬剝離
N 型金屬蒸鍍 P 型金屬蒸鍍
曝光顯影 SiO2濕蝕刻
表 3-1 製程流程表
(3) 曝光光源為 I-line，時間 42 秒，光罩為 Mask1。
(4)以異丙醇清洗晶片。
(5)以去離子水清洗晶片，並泡水 30 分鐘以確保無光阻殘留在晶片表 面。
以下為樑脊蝕刻的流程示意圖：
光阻塗鋪
MQW
InGaAsP etching stop layer
光阻
Mask 曝光
顯影
樑脊蝕刻
ridge
光阻清除
3µm 2µm
3-1.2 平坦化
此部分主要是利用 BCB 高分子材料，將整個晶片表面平坦化，
再利用乾蝕刻的方式將樑脊上方的BCB 清除，使樑脊和旁邊的高度 差減少，之後使用濕蝕刻的方式清除樑脊表面的SiO2並蒸鍍上接面 金屬，詳細製程如下：
SiO2濺渡
(1) 以磁式濺鍍機在晶片表面濺鍍上 2500Å 厚的 SiO2作為絕緣及保護 層。濺渡的條件：功率250W，操作壓力 3m torr。
BCB 塗鋪
(1) 以光阻塗鋪機在晶片表面鋪上 BCB 高分子材料，然後放入高溫爐 中加熱固化，加熱過程如表3-2
(min) 300
150
70
(℃) N2 on
N2 off
20 28 43 58 118 表3-2 BCB 加熱固化表
乾蝕刻
(1) 以活性離子乾蝕刻(RIE)和電子環繞共振式蝕刻(ECR)，將樑脊上 方的BCB 清除，直到 SiO2露出為止。
蝕刻的配方為： SF6：O2 ＝ 6：5 (S.C.C.M)
操作壓力：10mtorr，RIE 功率 70W，ECR 功率 200W
SiO2濕蝕刻
(1) 利用 BOE 濕蝕刻 SiO2直到整個樑脊表面露出為止，配方如下：
NH4F：H2O＝70g：135 ㏄，然後再加入 12 ㏄的水 以下為平坦化的流程示意圖：
SiO2濺鍍：
SiO2
BCB 塗鋪：
BCB
7.5µm
BCB 乾蝕刻：
SiO2濕蝕刻：
contact layer
3-1.3 接面金屬蒸鍍
此步驟主要為蒸鍍金屬到晶片表面，使金屬和晶片表面形成歐姆 接觸，詳細製程如下：
清洗晶片，重複 3.1-1 中清洗晶片的步驟(1)~(5) 曝光顯影
(1)利用光阻塗鋪機鋪上 AZ-4210 型號光阻，轉速
6000rpm，時間 40 秒。
(2)放進烤箱軟考，溫度 90℃，時間 30 分鐘。
(3)曝光光源為 I-line，時間為 44 秒。
(4)顯影液為 AZ-400K，配方比例為顯影液：水＝1：4，時間為 56 秒。
氧化物清除
(1)利用 HCl 將樑脊表面氧化物清除以利金屬附著，配方比例 HCl：
水＝1：1，時間 30 秒。
P 型接面金屬蒸鍍
(1) 以熱蒸鍍機在晶片上方鍍上 P 型接面金屬 Cr 做歐姆接觸用，厚度 420 Å；接著鍍上 Au 防止 Cr 氧化，厚度 500 Å，最後再鍍上厚度 2500 Å 之 Au/Sn 合金，以便於和 submound 上之 Au/Sn contact。
金屬剝離(lift off)
(1) 金屬蒸鍍完成後，利用丙酮沖洗晶片表面使光阻溶解並帶走其上 方之金屬。
(2) 用異丙醇清洗晶片表面。
(3) 用去離子水清洗晶片表面。
氧化物清除
(1)利用 HCl 將晶片背面氧化物清除以利金屬附著，配方比例 HCl：
水＝1：1，時間 30 秒。
N 型接面金屬蒸鍍
(1) 以熱蒸鍍機在晶片背面鍍上 n 型接面金屬 Au/Ge 合金，厚度為 500 Å，再鍍上厚度 500 Å 之 Au 以防止 Au/Ge 氧化。
回火(annealing)
(1)將蒸鍍完成之晶片放入高溫爐中回火，降低金屬和半導體接觸使 產生的位障，溫度為390℃，時間為 2 分鐘，並通入氮氣。
以下為接面金屬蒸鍍流程圖：
光阻塗鋪：
光阻 ridge BCB
`
曝光
UV light
顯影
P 型接面金屬蒸鍍
p-metal
金屬剝離
N 型接面金屬蒸鍍 p-metal
n-metal
3.1-4 封裝
mounting
(1)雷射製作完成後，將其切成長 500µm，寬 300µm 之 laser die。
(2)將其 mount 至鍍有 3500Å 厚 Au/Sn 合金之 submound 上，溫度為 300℃。
打線
(1)將 mounting 完之雷射黏至我們製作的壓克力基板上，利用銀膠和 In 線進行 wire bounding。
以下為封裝流程圖：
mounting
submoun LD
wire bounding
In 線 基座
SMA connector
3-2 討論
高速之雷射。在本實驗中，晶片表面經過 BCB 塗鋪固化後，經由表
Scan length(µm)
圖 3-1 BCB 平坦度量測結果
利用此配方對SiO2及BCB 選擇性不同的特性來完成蝕刻，但是此方 法還是會造成表面的傷害[6]，因為只要使用乾蝕刻後，sample 表面 會受到離子轟擊的關係而受損，如此變造成晶片的 Specific contact resistance 變差，並讓雷射的歐姆接觸阻抗變大，特別是樑脊接觸面 積較小的雷射影響更甚。
Scan length(µm)
圖3-2 乾蝕刻後 BCB 高度量測
BCB ridge
圖 3-3 平坦化雷射完成後晶片之 SEM 照片
ridge BCB
圖 3-4 平坦化雷射完成後晶片之 SEM 照片
第四章 高速量測系統架設及元件特
I-P 量測
0 2 4 6 8 10 12 14
0 10 20 30 40 50 60 7
Laser current(mA)
Power(mW)/Facet
0
圖 4-2 雷射輸入電流與輸出功率關係圖
輸入電流與光輸出功率關係如圖4-2 所示，平坦化雷射的啟動電 流為 34mA 左右，微分量子效率(Differential Quantum Efficiency)[7]
為76％。
發散角
0 0.5 1
-30 -20 -10 0 10 20 30
vertical horizontal
Normalized Intensity
Angle (degree) 圖4-3 雷射發散角圖
在FWHM(Full Width at Half Maximum)[8]時，可得：
平坦化雷射水平發散角為14°，垂直發散角為 38°，aspect ratio 約為 1：
3。
4-3 高速量測系統架設
本節我們將利用comb generator、RF Amplifier、Bias T…等高速 元件架設一高速量測系統，底下為系統架構圖：
High Speed Measurement System
RF Amplifier Comb generator
Bias Tee
100MHZ 9dBm Sine wave RF 放大器放大訊號產生足夠的能量進入 comb generator 以產生脈 衝，之後經由Bias T 將交流和直流訊號混合並驅動雷射，雷射發出的 光經由透鏡聚焦至high speed detector(頻寬為 2.5GHz)，最後將其輸出 連接上高頻示波器觀察波形。
4-4 AC 量測結果
Laser input pulse
圖 4-5 雷射輸入脈衝圖
圖4-6 為在雷射輸入端所量得之雷射輸入脈衝圖，我們由高頻示 波器量得其脈衝半高寬約為241ps，之後將此脈衝經 Bias T 和直流偏 壓電流混合後，分別驅動我們所購買的 To-can 雷射和我們自行製作 與包裝的雷射，經聚焦至高速光檢測器再經由高頻示波器觀察其輸出 波形。
Laser ouput pulse (To-can)
1ns/div 圖4-6 雷射輸出脈衝圖(To-can laser)
Laser output pulse(our device)
1ns/div 圖 4-7 雷射輸出脈衝圖(our device)
圖4-7 和圖 4-8 分別為我們所購買的 To-can 雷射和我們自行製作
-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 Frequency(GHz)
Response(dB)
圖4-9 對應圖 4-7 雷射頻譜圖(our device)
由圖 4-9 及圖 4-10 可算出其我們購買的 To-can 雷射和我們製作 的雷射其3dB 頻寬分別為 1.5GHz 和 1.9GHz。
4-5 討論
用buried heterostructure[10]，直接避免輸入載子在進入 active region 前會分散到 cladding layer[11, 12]的問題，但在磊晶過程上將會較複 雜。第五章 結論
我們成功的利用 BCB 高分子材料將雷射平坦化並完成雷射 mounting 的部分，經量測後，平坦化雷射啟動電流為 34mA，啟動電 壓和雷射阻抗分別為1.31V 和 10.1Ω，微分量子效率為 76％，3dB 頻 寬為1.9GHz。由於我們將雷射 mount 至 submound 上的動作和打線時 均採人工的方式，所以其良率不高，若能利用機器來進行 mounting 和 wire bounding 的動作，相信良率一定能相對提升，也能有效縮短 wire 的長度，增加雷射的頻寬。
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