3-1 以 MBE 磊晶系統成長高電阻率材料[3-5]
我們以 MBE 磊晶系統在 InP 基板溫度低於正常磊晶溫度的環境 下成長晶格匹配於 InP 之 In0.523Al0.477As，In0.527Al0.228Ga0.245As 及
In0.532Ga0.468As 等三種材料。基板溫度要低於正常磊晶溫度的原因是
要增加所成長材料中的缺陷，以達到高電阻率的效果。
我們所成長的磊晶層結構如圖 3-1 (a)(b)(c)(d)所示。
圖3-1 各磊晶層結構
(d) (c)
(b) (a)
InP substrate InP substrate
LT InGaAs undoped 1.8μm LT InAlGaAs undoped 1.8μm
InGaAs n=2*1018㎝-3 300Å InGaAs n=2*1018㎝-3 300Å
InP substrate
LT InAlAs undoped 1.8μm InGaAs p=3*1018㎝-3 300Å
InP substrate
LT InAlAs undoped 1.8μm InGaAs n=2*1018㎝-3 300Å
以下我們將說明MBE 系統磊晶的步驟，其步驟如下：
1.基板的清洗：
(1) 將 InP 基板泡在丙酮溶液中 (丙酮須加熱至冒泡) ， 以去除基 板表面的油質，接著用異丙醇去丙酮，然後再以純水 (DI water) 去異丙醇。
(2) 配置下列溶劑：
A： H2SO4：H2O2：H2O (18：1：1) B： H3PO4 :HCl: H2O2 (1:1:2)
C： HCl: H2O (1:9)
以下列順序浸泡腐蝕基板：
[ A40sec → DI water → B60sec → DI water]x2 →C40sec →DI water60sec (3) 將基板吹乾。
2.將基板置入分子束磊晶機台：
(1) 破真空，將清洗過的基板置入 Introduction chamber。
(2) 待 Introduction chamber 的真空度達 1×10-7torr 才把基板送入 analysis chamber，以保持 analysis 的真空度。
(3) 在 Analysis Chamber 中先對基板加熱至約 200℃(7.5A for 15min)
以烤掉基板上所含的水分，烤完之後等基板降溫至100℃以下，同時
並利用此段時間讓Analysis chamber 的真空度更好一點，再將基板送 入Growth Chamber。
3.基板衝溫以去除其表面之氧化層：
(1) 將 As 蒸氣壓調整至 1.2× 10-7 torr，足夠的 As 蒸氣壓才能保 護InP 基板，防止其表面的 P 原子外逸。然後將基板升溫至 460℃。
在Growth Chamber 中，基板溫度皆由 pyrometer 量測所得。
(2) 基 板 升 溫 至 460℃ 後 ， 開 始 迅 速 衝 溫 ， 並 觀 察 RHEED pattern，當 pattern 有變換 order 的情況，或者 pattern 開始變得模糊，
斷斷續續時，馬上將溫度降回460℃。重複此步驟一至兩次。
4.將基板溫度降至 400℃，開始成長高電阻率磊晶層。
成長條件如下：
a. 腔體壓力：1.2× 10-7 torr
b. 各 effusion cell 之溫度：
當成長 In0.523Al0.477As 材料時：In → 838℃
Al(1) → 1094℃
當成長 In0.527Al0.228Ga0.245As 材料時：In → 838℃
Al(2) → 1045℃
Ga(1) → 901℃
當成長 In0.532Ga0.468As 材料時：In → 838℃
c. 成長速率： 由 RHEED oscillation 推算出長晶速率大約在 0.68(um)左右。
5.成長完高電阻率磊晶層後，將基板溫度升回 460℃，成長高摻雜的 cap-layer In0.532Ga0.468As。
摻雜條件如下：N 型摻雜材料，Si → 1106℃
P 型摻雜材料，Be → 801℃
6.完成所有磊晶層之成長後，將各 effusion cell 降溫，並將 sample 由 Growth Chamber 依序 transfer 至 Introduction chamber，然後破 真空取出 sample 完成整個 MBE 磊晶流程。
3-2 Mesa diodes 之製程步驟
我們將所有磊晶完成後的sample 經過製程，做出 mesa diodes，
以方便進行IV 曲線的量測，其製程步驟如下：
(1) 清洗 sample：
二甲苯振洗 15 秒→異丙醇清洗→丙酮清洗→異丙醇清洗→DI water (2) 光阻塗佈(Specialty Coating System Model P6204)：
a.塗上光阻(AZ1500):
塗佈轉速：4000 轉 30 秒
b.放入烤箱(yamoto DX 300)軟烤 90℃，10 分鐘。
InP substrate epi-layers PR
(3) 光微影(Karlsüss KSM-MJB3)：
曝光條件：30 秒。
顯影時間：在 AZ developer：H2O＝1：2 的溶液中顯影 30 秒。
InP substrate epi-layers PR
(4) 硬烤：
條件：在加熱平台上以 90℃烤 5 分鐘。
(5) 蝕刻:
浸泡在 H3PO4:H2O2:H2O=1:2:37 的溶液中，將無光阻區的磊晶層 蝕刻乾淨。蝕刻時間視磊晶層厚度而定。
PR
InP substrate epi-layers
(6) 清除光阻:
浸泡在丙酮溶液中，將光阻去除乾淨。
InP substrate epi-layers
3-3 SiO 抗反射層鍍膜實驗
正確厚度的SiO 薄膜，使其成為半導體光放大器(semiconductor optical amplifier, SOA)。在鍍膜前，我們先量測欲鍍雷射在驅動電流低於 threshold current 時的 Fabry-Perot modes 共振頻譜。在鍍完 SiO AR coating 後，我們再一次量測該 SOA 之 Fabry-Perot modes 共振頻譜。
比較鍍膜前後之 Fabry-Perot modes 共振頻譜，即可看出 AR coating 的效果。
以下介紹氧化矽分子束薄膜沉積系統的使用步驟，其步驟如下：
1. 將 sample 之欲鍍表面清洗乾淨。
2. 破真空將 sample 置入 chamber 後，開始以 dry pump 進行初抽，之 後再以 ion pump 細抽。
3. 待 chamber 真空度達到 8× 10-8 torr，方可開始加熱 SiO effusion cell。將 SiO effusion cell 加熱至 1125℃，此溫度之鍍率約 4Å/sec。
4. 打開 shutter，開始鍍膜。鍍膜之厚度可由石英振盪測厚儀(XTC thin film thickness and rate monitor)做即時的監控。石英振盪測厚儀之參 數設定如下：Density＝2.13；Z-ratio＝0.87；Tooling＝143。
5. SiO 薄膜成長至所需要的厚度之後，迅速關閉 shutter，並將 SiO effusion cell 降溫。
6. 待 SiO effusion cell 降至室溫後，方可破真空將 sample 取出。
3-4 穿透光強度頻譜之量測
我們量測 InP 基板在鍍上 SiO 薄膜後的穿透光強度頻譜與鍍膜前 的穿透光強度頻譜，並將兩者相除即可得到穿透率大小對波長的變 化。
本實驗室的穿透光強度頻譜量測系統架構如圖 3-2 所示。該穿透 光強度頻譜量測系統是利用一白熾燈泡為光源，經過分光儀分離出不 同波長的光訊號。該光訊號經fiber 傳導通過一 chopper 後再垂直入射 我們所要量測的 sample。而檢光器則可量得光訊號通過 sample 後的 光強度並將其轉換成電訊號送入鎖相放大器。鎖相放大器會將收到的 電訊號與chopper 的相位互相比對，過濾出正確相位的電訊號並將其 放大送入電腦。我們透過電腦中的LabVIEW 程式，即可將鎖相放大 器的讀值取出。
圖3-2 穿透光強度頻譜量測系統
sample lens
chopper fiber
lens filter
PC
mirror Ge 檢光器
Preamp
Chopper Controller
Preamp Power Supply Lamp
Power Lock-in Amp.
Monochromator Lamp