第三章 半導體環型雷射元件製作
3.2 半導體環型共振腔元件製程
將基本規格晶圓，經由清洗、光罩設計、曝光顯影、蝕刻等製程，所製成半 導體環形晶雷射晶片，(圖 3.2)為本實驗室所使用環形雷射晶片製成流程圖。
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(5)將晶片浸泡NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中浸泡30秒，目的為去 除晶片上殘存之金屬顆粒或雜質。
(6)最後以去離子水清洗乾淨，再以氮氣將表面吹乾。
圖3.3 多重量子井發光方向 2. 成長SiO2
電子束蒸鍍技術是最常應用在半導體製程中的製作電極方法，我們使用ULVAC 電子束蒸鍍機(圖3.4)，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3.5。
圖3.4 電子束蒸鍍機
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圖3.5 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3.6 塗佈機
(2)將光阻放入烤箱軟烤為90℃5分鐘，去除光阻的溶劑成分，製程示意圖如 下(圖3.7)。
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圖3.7 光阻塗佈製程圖 4. 曝光
使用Suss-MA45曝光機(圖3.8)，汞燈的波長為365nm，250W，實際曝光強度 為 ，曝光時間為20秒，光罩圖形透過AUTUCAD設計實驗所需要的環型 雷射輸出圖形(圖3.9)，有單輸出也有雙輸出圖形，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3.10)。
圖3.8 Suss-MA45曝光機
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圖3.9AUTOCAD設計光罩圖形
圖3.10 曝光製程圖 5. 顯影
利用安智公司製造正顯影液 400K：DI water = 1：1，顯影後放入去離子水 內，將殘餘的顯影液洗乾淨，然後用氮氣槍吹乾，用顯微鏡觀察圖形是否良好，
製程如圖 3.11。Y 型耦合器俯視圖如圖 3.12。
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圖3.11 顯影製程圖
圖3.12 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3.13。
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圖3.13 RIE蝕刻與去光阻製程圖
7. ICP蝕刻波導
採用乾式蝕刻來進行雷射波導結構的蝕刻，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，去除SiO2。製程如下圖3.14。蝕刻後的波導形狀如圖3.15[1] 。
圖3.14 ICP蝕刻波導與去SiO2製程圖
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圖3.15 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90
℃5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環型一樣，曝 光顯影完成後，即將環型波導披覆起來。製程如圖3.16。
圖3.16 二次對準製程圖
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圖3.17 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 方式將環型波導上方絕緣層掀離。製程如下圖3.18。
圖3.18 成長SiNx製程圖 10. n-type基板研磨
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為了要降低環型雷射的操作及特性更好，我們需要將n-type基板磨薄以降低 元件的電阻。首先我們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℃將石蠟溶化，將晶片圖形面跟石蠟黏勺好，使用研磨機(圖 3.20)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3.19。
圖3.19 n-type基板研磨
圖3.20 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 Au⁄Ge⁄Ni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。蒸鍍完畢後為了讓Au⁄Ge⁄Ni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3.22)，退火溫度為450
℃。製程如下圖3.21
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圖3.21 電極金屬蒸鍍
圖3.22 ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機
12. 晶粒切割
將完成的環型雷射做劈裂，利用Karl SUSS-RA120晶圓切割機(圖3.23)從雙 圓形中間的波導結構切割、劈裂，讓環型共振腔的輸出端為一完整鏡面，即完成 環型雷射。
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圖3.23 Karl SUSS-RA120晶圓切割機
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第四章 Y-型光耦合環形半導體輸出 雷射特性量測
4.1 量測系統介紹
整套量測系統由光功率-電流量測，光譜量測，遠場量測整合而成，過去在 量測 LI 與光譜的轉換時必須將感測器和通用介面匯流排(GPIB)一起移動，造成 量測時光的入射角度有些許偏差，如今我們將環型半導體雷射晶片發出的光藉由 兩個透鏡聚焦後，再通過兩個三角形稜鏡所組合的方形稜鏡，透射至三個方向不 同量測系統的偵測器(如圖 4.1)，好處在於將雷射晶片放置探針座後，整套量測 系統不需做移動，能減少實驗誤差，也能使光功率電壓光譜和遠場一起展示出來，
方便我們同時比對每項數據的關係。
圖 4.1 量測系統架構圖
CCD3000
高功率脈衝產生
數位儲存示波器
L-I SPECTRUM
FAR FIELD
GPIB
GPIB
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4.1-1 L-I 量測系統
藉由量測雷射輸出的特性曲線(L-I 圖)可以得到半導體雷射中臨界電流，光 功率-電流量測系統的架構(如圖 4.2)，將製備完成的環型雷射晶片架設在探針 座上(如圖 4.3)，利用脈衝產生器(型號：HP8114A)作為環型雷射驅動裝置，提 供脈衝電壓經由探針將電流注入雷射晶片，環型半導體雷射晶片發出的光藉由兩 個透鏡聚焦後，從方形稜鏡透射至高速光電探測器(818-BB-21 高速矽光學檢測 器)(表 4.1)中心點，確保光源射入。將電壓轉至欲測最大電壓值，觀察示波器(型 號：Tektronix TDS2024)旋轉垂直衰減旋鈕(VOLTS/DIV)(如圖 4.4)，選擇螢幕 上縱向尺度每格所對應的電壓，使波型完整保留在視窗裡，藉由通用介面匯流排 (GPIB)將測量系統與電腦連接，再利用 Labview 程式控制脈衝產生器和示波器，
並擷取示波器量測的數據，最後使用繪圖軟體(Origin)繪出 L-I 圖。
。
圖 4.2 光功率-電流量測系統架構
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圖 4.3 環型雷射晶片探針座
表 4.1 高速光電探測器規格
圖 4.4 示波器顯示屏
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4.1-2 光譜量測系統
圖 4.5 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)，環形半導體雷射晶片發出的光藉由兩個透鏡聚 焦後，從方形稜鏡透射聚焦在多模光纖中心點，透過多模光纖將光訊號傳送至光 譜分析儀(型號：Triax550)(如圖 4.6)，再藉由光譜儀專用電腦軟體(SpextraMax) 擷取光譜分析的資料，再將這些光譜分析的 data 使用繪圖軟體(Origin)繪出光 譜圖並整理數據後分析晶片雷射性質，當我們開始量測環型雷射光譜前，我們會 先使用氦氖雷射來校準光譜儀，光譜儀在長時間沒使用的情況下，有時候裡面鏡 面角度會有些改變導致量出來的波長有些許誤差，因此每次量測前必須使用氦氖 雷射做校準，確保每次量出來的數據都是準確的(圖 4.7)。
圖 4.5 光譜量測架構圖
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圖 4.6 光譜分析儀
圖 4.7 氦氖雷射
4.1-3 光束剖面分析系統
雷射光具有高強度與高指向性，即雷射光束在一個特定方向傳播，光功率集 中在幾個平方毫米的小區域上。激光光束與高斯光束很接近，高斯光束光強的横 剖面可由高斯方程描述，在傳播方向上其寬度會發生改變。光束很寬時尺寸改變
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很小，而緊聚焦光束的尺寸則變化很快。我們將環形雷射晶片的光透過光束分析 相機(Beamage-3.0)與電腦連接，光束分析相機光譜範圍 350-1150nm 最小可測光 束 55 微米，因此在未來對紅外光的實驗中也能利用此相機對紅外光光束做分析，
電腦裡的直觀軟體介面，利用光束三維顯示屏顯示出光束的實際形狀(圖 4.8)，
可輕鬆對圖像進行縮放移動和旋轉。也可以透過 XY 顯示屏繪製沿瞄準器的光束 橫截面圖，對其進行分析。
圖 4.8 光束三維顯示
4.2 環形雷射實驗量測
本實驗測量的樣本脊狀波導蝕刻高度約為1.1μm，接著將會針對直線波導端 和非直線波導端的光譜特性、L-I 特性曲線的測量結果作討論。圖 4.8 為環型單 輸出雷射晶片模型及相關尺寸代號，其中𝐿1為波導端長度，𝐿2為非波導端長度，
R 為環型共振腔直徑。我們把晶片透過波導端與非波導端一組分別標為波導端置 於右方時，上方為 A、C 與下方為 B、D，方便未來做雙輸出時，波導端與非波導 端標記，採取統一性的編號如圖 4.10。
R
𝐋𝟐
𝐋𝟏
𝟏. 𝟏𝛍𝐦
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圖 4.9 環型雷射晶片模型圖
我 們 拿 同 一 片 雷 射 晶 片 ， 將 非 波 導 端 長 度 逐 次 切 短 ， Sample(a) 、 Sample(b) 、Sample(c)三個的環型共振腔直徑都為500μm、波導端長度為750μm、
但在非波導端長度的部分分別為1000μm、750μm、375μm的單輸出波導雷射 (如圖 4.10)。從 L-I 圖(如圖 4.10)中可以發現波導端與非波導端的雷射輸出特 性曲線在形狀上呈現相似，根據推斷此現象及有可能為四波混頻的共軛反射機制 造成在非波導端產生一與波導端相對應的直線型波導，使其兩端輸出曲線形狀類 似。
Sample(a) sample(b)
Sample(c)
圖 4.10 三個樣品的尺寸模型
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Sample(a)L-I 圖 Sample(b)L-I 圖
Sample(c)L-I 圖
圖 4.11 Sample 的 L-I 輸出特性曲線圖
透過下圖 4.12 可以看到非波導端實質不具有硬體共振腔，但大部份光子仍 因光學克爾效應，藉著場的功率調製折射率，傳播於介質的強勁光束會改變介質 折射率，越接近光束中間的區域折射率越高，由於介質折射率被改變使光束在介 質內產生自聚焦的效果，令非波導端也會有一定的雷射功率輸出，在加上波導端 鏡面反射光子的加成，最後形成此輸出特性曲線的結果。
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圖 4.12 非波導端的光子自聚焦效果
設一個角頻率為ω的光進入具有三階非線性特性的介質時，其對應的磁化率變化 量為∆𝑥，可表示為：
𝜖0∆𝑥 =𝑃𝑁𝐿(𝜔)
𝐸(𝜔) = 3𝑥(3)|𝐸(𝜔)|2 = 6𝑥(3)𝜂𝐼
上述中𝑃𝑁𝐿(𝜔)為光進入非線性介質所對應的偏振強度，3𝑥(3)|𝐸(𝜔)|2𝐸(𝜔)就 是將單道光Re{𝐸(𝜔)exp(𝜔𝑡)}代入𝑃𝑁𝐿 = 4𝑥(3)𝜀3之中。𝜂為阻抗，𝐼 =|𝐸(𝜔)|2𝐼
⁄2𝜂 為光波的初始強度，根據上式可以得知非線性介質所對應的折射率𝑛變化跟起始 光照強度的關係式，因此由𝑛2 = 1 + 𝑥，∆𝑛 = (𝜕𝑛 𝜕𝑥⁄ )∆𝑥 = ∆𝑥 2𝑛⁄ 可以得出：
∆𝑛 = 3𝜂
𝜖0𝑛𝑥(3)𝐼 = 𝑛2𝐼
由此可知，折射率變化跟光學強度成正比，總體折射率變化可以寫為光學強 度𝐼的線性函數：
𝑛(𝐼) = 𝑛 + 𝑛2𝐼，𝑛2 = 3𝜂 𝑛2𝜖0𝑥3
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大多數介質的相當微小，一般玻璃的大約為 10-20 m2 W-1。因此，光波的輻射度至 少必須為 1 GW cm-2才能使得折射率通過交流克爾效應產生顯著變化。
與輻射度有關的折射率是一種非常重要的三次過程，又分為空間調製與時間調製
與輻射度有關的折射率是一種非常重要的三次過程，又分為空間調製與時間調製