光子與電子的交互作用

第二章西格馬型環型雷射原理

2.2 光子與電子的交互作用

光子和半導體內的電子之間主要有三種交互作用：吸收(absorption)、自發放射 (spontaneous emission )、受激放射(stimulated emission )。如圖 2.4 所示，E1與 E₂ 分別表示基態(ground state)與激態(excited state)，則在此兩能階產生的光子頻率為 ν12，其 hν12＝E₂-E1。一般情況下原子多處於基態，假如有一道光蘊含能量為 hν12

的光子衝擊此基態系統，則電子會獲得能量並躍遷至激態，此過程即稱吸收如圖 2.4(a)。而在激態中的電子是屬於不穩定的，因此過段時間後電子在未受外力影響下有機會自己回到基態，並放出能量為hν12光子，此即為自發放射如圖 2.4(b)。然

而當在激態的電子受到一個能量 hν12 的光子衝擊後，這電子會轉移到基態並放出一個與入射輻射同相位且能量為hν12的光子，此過程則稱為受激輻射如圖 2.4(c)。

圖 2.4 光子與電子交互作用示意圖(a)吸收 (b)自發放射 (c)受激放射

2.3 雷射居量反轉原理

居量反轉前高能階的粒子密度一般都低於低能階的粒子密度，但居量反轉發生時，高能階的粒子多，低能階則較少，這與熱平衡下的分布趨勢相反，因為這緣故，當雷射發生時，才能夠放大放射光，而以下為原理的過程[16]。

首先在能階系統內定義基態(ground state)能階為E₁,E2為激發態(excited state ) 能階，且N1為基態粒子數，N2為激發態粒子數，我們將這些參數利用波茲曼方程表示出來，如(式2-1)

1 2 1

由普朗克輻射定律可將

ρ

_v表示為

例如光激發，使N₂-N1>0，此時系統就達到居量反轉(population inversion)，激發輻射速率大於自發輻射色率;R21>Rs，此系統會具有光增益。然而要達到雷射運作條件，需要形成光學共振腔，其條件有：

(1)共振腔光限制因子(optical confinement factor of the resonator)定義為：

1 exp(

C nd

)

Γ ≅ − − ∆ (式2-17)

其中C為常數，

∆ n

為折射率之差，d為主動層厚度

(4)縱模模距(longitudinal mode spacing)

∣ ∆λ ∣=_{2𝐿𝐿×𝑛𝑛}^λ²

𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 (式2-20)

(5)雷射臨界增益(Threshold gain of lasing)

1 1 1

(6) 半導體雷射臨界電流密度(Threshold current density of laser a diode )以線型雷射的臨界增益係數為例：

當臨界電流密度(式2-25)的增益，用(式2-22)的臨界增益代入可以推出臨界電流

當電流注入未達到穩態時，半導體環型共振腔內所產生的功率與時間變化，

ccw ccw ccw

P _ccw _ccw( )P _ccwP _ccw

ccw ccw ccw

cw ccw

2.4-2 單西格馬型雙 Y-型耦合輸出雷射功率平衡條件

𝑃𝑃_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}(Γ_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}−𝑇𝑇_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}− 𝑘𝑘_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}) + Γ_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}𝑟𝑟_{𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐}_𝜏𝜏^𝑁𝑁

第三章半導體西格馬型環型雷射元件製作

Structure Material Thickness concentration type Doping Cap GaAs 100 nm 1~3E+19 p Zn

圖3.1 雷射磊晶片之激發光譜

3.2 西格馬型環型共振腔元件製作流程

1. 晶片切割及清洗

將兩吋的紅光雷射晶片以晶片切割機型號Karl Suss RA120需沿著(100)晶面方向(圖3.2[1] )平行或垂直晶面切割成大小適中的形狀，再將晶片依照程序使用以下步驟清洗：

(1) 將已切割好的晶片浸泡於丙酮1分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，

此步驟之目的為清除晶片上的油脂和有機物質。

(2) 將晶片浸泡於甲醇1分鐘後，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，此步驟之目的為清除晶片上殘留的丙酮。

(3) 將晶片浸泡於去離子水中1分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，此步驟之目的為清除殘餘的甲醇，之後再以氮氣吹乾。

(4) 將晶片浸泡於混合溶液HCl：H2O = 1：10中30秒，此步驟之目的為清除晶片表面產生的氧化層。

(5) 將晶片浸泡於NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中浸泡30秒，此步驟之

目的為去除晶片上殘存之金屬顆粒或雜質。

(6) 最後以離子水清洗乾淨，再以氮氣將表面吹乾。

圖3.2 晶面切割方向

2. 成長SiO2

我們使用ULVAC電子束蒸鍍機(圖3.3)，在切割好的晶片上蒸鍍一層約200nm 之SiO₂，此SiO₂主要目的為當作之後ICP的阻擋層，製程示意(圖3.4)。

圖3.3 電子束蒸鍍機

Quantum well illuminative

圖3.4 成長SiO2製程圖

3. 光阻塗佈

(1) 採用正光阻AZ P4210塗佈，STEP1的轉速為2500rpm，STEP2的轉速為 7200rpm，塗佈後正光阻的厚度約為2.0μm。

圖3.5 塗佈機

(2) 為了去除光阻的溶劑成分，故光阻放入烤箱軟烤為110℃1分鐘，製程示意圖如下(圖3.6)。

圖3.6 光阻塗佈製程圖 4. 曝光

使用Suss-MA45曝光機(圖3.7)，汞燈的波長為365nm，250W，實際曝光強度為

，曝光時間為13秒，光罩圖形即為西格馬型環型雙輸出圖形，其中需要將直線波導部分平行多重量子井的發光方向，製程示意圖如下(圖3.8)。

圖3.7 Suss-MA45曝光機

圖3.8 曝光製程圖 5. 顯影

利用安智公司製造正顯影液400K：DI water = 1：4，顯影後浸泡於去離子水中，

將殘餘的顯影液清洗乾淨，再以氮氣槍將其吹乾，透過顯微鏡觀察圖形是否良好，

製程如圖3.9。Y型耦合器俯視圖如(圖3.10)。

圖3.9 顯影製程圖

圖3.10 Y型耦合器 6. BOE蝕刻

利用BOE去除SiO2，並利用正光阻當作遮罩，保護SiO2下的波導結構。完成後以丙酮、甲醇、去離子水將正光阻移除。製程如圖3.11。

圖3.11 BOE蝕刻與去光阻製程圖

7. ICP蝕刻波導

我們採用乾式蝕刻來進行雷射波導結構的蝕刻，因為SiO₂較不會與ICP蝕刻氣體反應，故可以當作蝕刻時的光罩，將晶片取出再利用丙酮、甲醇、去離子水、

HCl：H2O = 1：10混合溶液、NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中將晶片表面的蝕刻殘餘物清洗乾淨，最後將晶片置於HF：DI water= 1：10之混合溶液中約１分鐘，即可處去除SiO₂。製程如下圖3.12。蝕刻後的波導形狀如圖3.13[1]。

圖3.12 ICP蝕刻波導與去SiO2製程圖

圖3.13 ICP蝕刻與去SiO2後之截面圖 8. 二次對準

如同上述步驟3.～5.，我們在同樣必須使用正光阻AZ P4210塗佈和軟烤110℃1 分鐘，接著再進行第二次的曝光與顯影，光罩圖形跟第一次的圖型一樣，曝光顯影完成後，即將西格馬型環型波導披覆起來。製程如圖3.14。

圖3.14 二次對準製程圖

圖3.15 二次對準顯影結果 9. 成長SiNx

為了達到保護與絕緣雷射環形波導結構，我們選擇低折射率且具有抗反射的高絕緣性材料SiNx，折射率(Refractive index)為2.03。濺鍍SiNx約5min，厚度為 150nm，最後再利用丙酮、甲醇、去離子水將光阻去除，達到類似Lift off的方式將西格馬型環型波導上方絕緣層掀離。製程如下(圖3.16)。

圖3.16 成長SiNx製程圖 10.n-type基板研磨

為了要降低西格馬型環型雷射的操作及特性更好，我們需要將n-type基板磨薄藉此降低元件的電阻。首先要依我們欲研磨的厚度來調整研磨台的高低落差，然後將台座用烤盤加熱至90℃使石蠟溶化，將晶片圖形面跟石蠟沾黏好，使用研磨

機(圖3.18)並加入氧化鋁粉的溶液研磨基板背面研磨約150μm。完畢後，將晶片泡入HCl:H₂O2:H2O=1:1:10溶液中清洗殘餘的GaAs的顆粒。製程如下圖3.17。

圖3.17 n-type基板研磨

圖3.18 研磨機 11.電極金屬蒸鍍與退火

完成研磨晶片後，接著是背電極的蒸鍍，使用電子束蒸鍍機，蒸鍍的金屬為 AuGe/Ni/Au合金，厚度為5300Å；緊接著是將晶片波導面上蒸鍍Ti/Pt/Au合金，厚度為為10500 Å。蒸鍍完畢後為了使AuGe/Ni/Au合金與Ti/Pt/Au能夠與晶片有良好的歐姆接觸，使用ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機(圖3.20)，退火溫度為450

℃。製程如下圖(3.19)

圖3.19 電極金屬蒸鍍

圖3.20 ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機 12.晶圓切割

將完成的西格馬型環型雷射做劈裂，利用Karl SUSS-RA120晶圓切割機(圖3.21) 從雙圓形中間的波導結構切割、劈裂，讓西格馬型環型共振腔的輸出端為一完整鏡面，即完成西格馬型環型雷射。

圖3.21 Karl SUSS-RA120晶圓切割機

第四章西格馬型環型雷射輸出特性量測

4.1 量測系統簡介

4.1-1 電流-電壓量測系統

將製備完成的西格馬型環型雷射架設在探針座上，並使用HP4145B半導體參數分析儀提供電壓並量測電流變化，搭配Labview程式控制讀取HP4145B上的資料。

儀器架設如圖4.1[1]。

圖4.1 電壓-電流量測系統

圖4.2 I-V量測圖

由圖4.2是完成西格馬型環型雷射的I-V量測圖，雷射晶片啟動電壓約1.7V。

4.1-2 光譜量測系統

圖4.3為光譜量測系統圖，利用HP8114A 脈衝產生器驅動雷射經由探針直接接觸原件的電極(p-metal)，發出的光經由兩透鏡聚焦在多模光纖。再用Triax550 光譜儀分析雷射光譜，並透過SpectraMax 軟體抓取資料，如圖4.5[1]。

圖4.3 光譜量測系統

圖4.4 雷射檢測平台

圖4.5 光譜儀(Triax550)

4.1-3 L-I 量測系統

我們可以藉由觀察L-I圖得到半導體雷射中臨界電流(threshold current)。我們架設光功率-電流量測系統如圖4.6，利用HP8114A脈衝產生器為環型雷射驅動裝置，

提供脈衝電壓經由探針將電流灌入雷射晶粒，再串聯1歐姆電阻轉換出電壓訊號，

並經由Tektronix TDS2024示波器讀取訊號。雷射晶粒所發出的光經由透鏡聚焦於光偵測器上，再將輸出的訊號連接至Tektronix TDS2024示波器讀取。而整套系統藉由GPIB與電腦連線，由Labview程式控制脈衝產生器與示波器，讀取示波器量測到的數據，再利用電腦運算繪出L-I圖[1]。

圖4.6 L-I量測系統

4.2 環型雙輸出雷射輸出模態量測

為了使量測時不會因有雙輸出的結構而產生錯亂，所以我們依西格馬型環型共振腔之輸特性將出波導定義成順時針方向 (Clockwise ， CW) 與逆時針方向 (Counterclockwise，CCW)，其方向定義如圖4.7，4.8。

圖4.7 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 1

圖4.8 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 2

這次實驗脊型波導蝕刻高度約1μm，接下來將會針對順時鐘波導(cw)與逆時鐘波導(ccw)的光譜、L-I等量測結果作討論。圖4.9為我們進行量測時的雷射波導模型及相關尺寸。其中L1為非波導區的長度，L2為波導區的長度，D為環型共振腔直徑，w為波導寬度。

圖4.9 量測雷射的相關尺寸圖

如我們之前所說透過結構上的改變，破壞其原本的對稱形狀，我們在環形共振腔中多了一段 S 型或逆 S 型的脊狀波導，透過這個脊狀波導去將原本逆時鐘的能量轉移至順時針方向或將原本順時鐘的能量轉移至逆時針方向，藉此去強化其中一端的輸出達到控制的目的，我們在下面篇幅用一組傳統環形雷射來做參照組。

在傳統環形雙輸出雷射當不同的環半徑(r)、直線波導長度( )、直線波導損

耗( )、環型波導耦合進線型波導的比例(T)及鏡面反射率(R)的改變，會有先滿

足順時針增益

g

_cw

(N)

或是逆時鐘增益

g

_ccw

(N)

的問題。我們以環半徑為 400μm、直線波導長度(500μm)的環型雙輸出雷射來作為觀察。

圖4.10 環型雷射雙輸出元件圖

圖4.11 Sample(A)示意圖

638 640 642 644 646 648 650 652 654 656

圖4.12 Sample(A)光譜圖

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

圖4.13 Sample(A)L-I圖

如我們之前所說的，環型雙輸出的順時鐘方向以及逆時鐘方向根據不同的

Γ

、 g(N)、α、T、R，順時鐘方向以及逆時鐘的輸出功率也會跟著不一樣，而在 SAMPLE(A) 的光譜與 L-I 看來，可以發現波長比較短的 CW 端對應的是相對高的功率，波長比較長的 CCW 端對應的是相對低的功率。

我們接著以環半徑為 400μm 的西格馬型環型雙輸出雷射 Sample(B)如圖 4.14 來作為觀察。

圖4.14 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type1

圖4.15 Sample(B)示意圖

圖4.16 Sample(B) CW光譜圖

圖4.17 Sample(B) CCW光譜圖

圖4.18 Sample(B) L-I圖

在 Sample(B)的 L-I(圖 4.18)看來，可以看出 CW 端的功率遠高於 CCW 端，由此我們推論出環形中的 S 型脊狀波導結構將 CCW 方向能量導入 CW，因此 CCW

在文檔中西格馬型環型共振腔半導體雷射輸出特性之研究 (頁 24-0)

第二章 西格馬型環型雷射原理