實驗結果與討論

4-1 高電阻率材料之成長

4-1-1 X-ray 量測結果

我 們 把 在 基 板 溫 度 為 400 ℃ 下 成 長 之 晶 格 匹 配 於 InP 的 In0.523Al0.477As，In0.527Al0.228Ga0.245As 及 In0.532Ga0.468As 等三種材料，送 去聯亞光電公司做Double crystal X-ray diffraction 的量測。其結果如 圖4-1 到圖 4-3 所示：

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000

10 100 1000 10000

7.676

in te n sity ( a .u .)

2*theta (arcsec)

InAlAs,400

⁰

C

422.205,InAlAs

圖 4-1 InAlAs X-ray 繞射圖

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 0

5000 10000 15000 20000 25000

0

intensity (a.u.)

2*theta (arcsec)

InAlGaAs,400⁰C

345.11,InAlGaAs

84.441,InGaAs

圖 4-2 InAlGaAs X-ray 繞射

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000

0 5000 10000 15000 20000

25000 -7.676

intensity (a.u.)

2*theta (arcsec)

InGaAs,400

⁰

C

圖 4-3 InGaAs X-ray 繞射圖

由以上 X-ray 繞射的結果來看，InAlAs 訊號與 InP 基板訊號距離

約為422 arcsec，InAlGaAs 訊號與 InP 基板訊號距離約為 345 arcsec，

InGaAs 訊號與 InP 基板訊號距離約為 84 arcsec。因此我們可得知，

我們所成長的材料其晶格常數已與 InP 基板的晶格常數相當的接近

了。

4-1-2 Mesa diode I-V 特性曲線之量測結果與分析

將我們製程好的 mesa diodes 進行 I-V 特性曲線的量測，以得知 高電阻率材料電流阻隔的效果。我們使用HP 4156B 來量測電流、電 壓值。量測的方式如圖 4-4 所示，量測所得的 I-V 特性曲線如圖 4-5 到4-8 所示。

bias

n⁺( p⁺) InGaAs 300Å i layer 1.65um n⁺ InP sub

接地

圖4-4 I-V 特性曲線的量測方式

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -3.00E-009

-2.00E-009 -1.00E-009 0.00E+000 1.00E-009 2.00E-009 3.00E-009

I (Amp.)

V (volt.)

InAlAs,400

⁰

C

圖4-5 InAlAs n-i-n diode 之 I-V 曲線

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

0.000000 0.000002 0.000004 0.000006 0.000008 0.000010 0.000012

I (Amp.)

V (volt)

InAlAs,400

⁰

C

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -0.0000006

-0.0000005 -0.0000004 -0.0000003 -0.0000002 -0.0000001 0.0000000 0.0000001 0.0000002

I (Amp.)

V (volt.)

InAlGaAs,400

⁰

C

圖4-7 InAlGaAs n-i-n diode 之 I-V 曲線

-3 -2 -1 0 1 2

-0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010

I (Amp.)

V (volt.)

InGaAs,400

⁰

C

圖4-8 InGaAs n-i-n diode 之 I-V 曲線

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1E9

1E10 1E11

effective resistivity (ohm-cm)

V (volt.)

InAlAs n-i-n diode effective resistivity

圖4-9 InAlAs 在 n-i-n diode 中所表現的有效電阻率

將圖 4-5 所量得的電流值 I 代入我們在 2-3-1 節所推導得的 I-Vd

關係式中。即可求得在cap layer 加 7V 正偏壓時，Vd值小於5*10^－13 伏 特；加7V 負偏壓時，Vd值小於2*10^－8 伏特。以上兩 Vd值皆很小，

故我們可忽略該n-i-n diode 在我們所量得之 I-V 特性曲線中的影響。

從圖4-5 的 I-V 特性曲線呈現非線性的結果可得知，該 InAlAs 材料的 電阻率與所加的電壓相關。該特性與參考文獻[4]所發表的結果相同。

而我們所量測的mesa diode 面積約為 1.76*10^-4cm²，InAlAs 厚度為 1.65 μm 左右，故我們可算得 InAlAs 在 n-i-n diode 中所表現的電阻率，

其結果如圖 4-9 所示。在 7V 的電壓之下，InAlAs 的有效電阻率約 2

0 1 2 3 4 5 10⁶

10⁷ 10⁸

effective resistivity (ohm-cm)

V-V_d (volt.)

InAlAs p-i-n diode effective resistivity

圖4-10 InAlAs 在 p-i-n diode 中所表現的有效電阻率

在圖4-6 中，當 cap layer 加正偏壓時，由於多了 p-type InGaAs 電洞流的貢獻，所以我們所量測到的電流值I 會大於圖 4-5 中的電流 值。由2-3-2 節的推導，經計算可知當 cap layer 在 5V 正偏壓的範圍 內，Vd值從 0.74 到 0.54 不等，已影響到我們所量測的 V 值。故我們 須把V－Vd，才能算出InAlAs 在 p-i-n structure 中的電阻率。而我們 所量測的mesa diode 面積同樣約為 1.76*10^-4cm²，InAlAs 厚度為 1.65 μm 左右，故我們可算得 InAlAs 在 p-i-n diode 中所表現的電阻率，

其結果如圖4-10 所示。在 p-i-n 的結構中，4.24V 的電壓之下，InAlAs 的有效電阻率約5.23× 10⁵ Ωcm。而當 InGaAs cap layer 加負偏壓時，

即該 p-i-n diode 在逆偏的情況，由 2-3-2 節的推導可知該 diode 幾乎 呈現開路的狀態。所以我們量測到的電流極小，是因為p-i-n diode 的

逆偏所造成，並非單純InAlAs 材料高電阻率的影響。而此時 Vd值極 大，已無法估計出 InAlAs 本身的有效電阻率了。

另外，我們特別針對 InAlAs p-i-n structure 的 sample 做了 TLM 的量測，在相距 2.5μm 的 pad 間，5V 的偏壓下，其電流值已小於 10^-9A。

在圖 4-7 中，由 2-3-3 節的推導可知，當 InGaAs cap layer 加正偏 壓時，該diode 幾乎呈現導通的狀態；而當 InGaAs cap layer 加負偏 壓時，在 7V 的偏壓下，Vd值亦小於 10^-10V。所以我們所量到的 I-V 特性曲線純粹為 InAlGaAs 高電阻率材料的影響。而我們所量測的 mesa diode 面積約為 1.76*10^-4cm²，InAlAs 厚度為 1.65μm 左右，故 我們可算得InAlGaAs 在 n-i-n diode 中所表現的電阻率，其結果如圖 4-11 所示。在 7V 的電壓之下，InAlGaAs 的有效電阻率約 10⁷ Ωcm。

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

1E7 1E8 1E9 1E10 1E11

effective resistivity (ohm-cm)

InAlGaAs n-i-n diode effective resistivity

在圖4-8 中，我們可以算出 InGaAs 的有效電阻率小於 10⁴ Ωcm，

故我們可知即使是在 400℃成長的本質 InGaAs 亦不具有高電阻率的 特性。

4-1-3 高電阻率材料電流傳導機制分析

表 4-1 中所列，為在絕緣體中可能的電流傳導機制及其電流、電

壓關係。

表4-1 絕緣體中可能的電流傳導機制及其電流電壓關係

傳導機制 電流與電壓之關係

佛倫克-普洛放射

4 ) 2

exp(

d T

qV V

I

⋅ πεⁱ

∝

穿隧或場放射 I∝V²exp(−b/V)

有限空間電荷

I ∝ V

²

歐姆

I ∝ V

我們根據以上的電流機制，使用 Origin 軟體去 fit 高電阻率材料 在各結構中的有效電阻值，以得出各種機制的電流在量測到的總電流 中所佔的含量。我們最後得到的結果如圖4-12 到圖 4-14 所示。

由以上的結果可知，InAlAs 在 2V 以上的偏壓，以及 InAlGaAs 在0.5V 以上的偏壓時，trapped electron 到導帶的穿隧或場放射為主 要的電流機制。歐姆電流在n-i-n 結構中非常的低，在 InAlGaAs 中小 於10^-11 A，而在 InAlAs 中則小於 10^-12 A。但在 InAlAs 的 p-i-n 結構 中，由於電子、電洞的同時注入，歐姆電流大幅升高到10^-7 A。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 1E-34

1E-31 1E-28 1E-25 1E-22 1E-19 1E-16 1E-13 1E-10 1E-7

I (Amp.)

V (volt.) total current Ohmic current

Space -charge-limited current Frenkel-poole current

Tunnel current

圖4-12 InAlAs n-i-n 結構中的各種電流

0 1 2 3 4 5

1E-14 1E-12 1E-10 1E-8 1E-6 1E-4

I (Amp.)

V (volt.)

total current Ohmic current

Spaced-charge-limited current Tunnel current

圖 4-13 InAlAs p-i-n 結構中的各種電流

0 1 2 3 4 5 6 7 8 1E-20

1E-18 1E-16 1E-14 1E-12 1E-10 1E-8 1E-6 1E-4

I (Amp.)

V (volt.)

total current Ohmic current Tunnel current

圖4-14 InAlGaAs n-i-n 結構中的各種電流

4-2 SiO 抗反射層鍍膜實驗之結果與討論

4-2-1 SiO 分子束薄膜沉積系統鍍率之量測

我們對剛架好之SiO 分子束薄膜沉積系統做了 cell 溫度與鍍率關 係的量測，以了解該機台的特性。其結果如圖4-15 所示。

我們實際在不同的溫度成長了幾片 sample，然後用 Dektak³ surface profile measuring system 來觀察其鍍膜品質。結果發現鍍率愈 高，SiO 薄膜表面愈粗糙；反之，鍍率愈低，SiO 薄膜表面則愈平整。

在鍍膜品質與鍍膜效率的折衷考量下，我們選擇了 1125℃為我們的

鍍膜溫度，其鍍率約 4Å/sec。圖 4-16 為在 4Å/sec 的鍍率之下，用 Dektak³所量測到的 surface profile，我們可看出我們所鍍的 SiO 薄膜 均勻且平整。

0.00066 0.00068 0.00070 0.00072 0.00074 0.00076 1

10

growth rate(Å/sec)

1/T(K^-1) growth rate

log(growth rate)=13.3977-17839.42T^-1

圖 4-15 cell 溫度與鍍率關係

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 500 1000 1500 2000 2500

InP substrate

SiO film

2100A

thickness (Å)

X(µm)

SiO surface profile

圖4-16 在 4Å/sec 的鍍率之下，用 Dektak³所量測到的 surface profile

4-2-2 SiO 薄膜於 1550nm 波長之 index 量測

我們先假設SiO 薄膜於 1550nm 波長附近的 index 為 1.9。故我們 在InP 基板上成長

9 . 1

* 4 1550nm

厚度五倍之SiO 薄膜。然後我們量測 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。根據實際的鍍 膜厚度（使用Dektak³ surface profile measuring system 量測所得），以

及穿透率最高處的波長，我們即可求得SiO 薄膜在穿透率最高波長處

的正確index。圖 4-17 為 InP 基板在鍍 SiO 薄膜前及鍍上 SiO 薄膜後 的穿透光強度頻譜。鍍膜後的穿透光強度頻譜除以鍍膜前的穿透光強 度頻譜之結果如圖 4-18 所示。

圖 4-18 的 Y 軸為 InP 基板在鍍上 SiO 薄膜後的穿透光強度與鍍 膜前的穿透光強度相除所得之值。但為了方便使用 Origin 軟體中的 sin 函數去 fit 我們的實驗數據，我們已先行將實驗值扣去一常數項，

使其振幅大小對稱於 X 軸。圖 4-20 與 4-22 之 Y 軸亦同。

11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 0.000

0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

in tensity (a .u)

wavelength (Å)

InP SiO

圖 4-17 InP 基板在鍍 SiO 薄膜前及鍍上 SiO 薄膜後的穿透光強度頻譜

0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95

-0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15

0.20

wavelength=15850Å n=1.857

intensity ratio

10000/wavelength (10000/Å)

SiO/InP

在 此 次 實 驗 中 ， 我 們 所 欲 成 長 的 厚 度 為 10197Å，但實際成長出來的厚度為 10670Å（使用 Dektak³ surface profile measuring system 量測所得）。而根據 Origin 軟體 fit 實驗數據

所得之結果，透射率最高處的波長為 15850Å，所以我們經由計算可

11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000

0.000

5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5

11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 0.0005

0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 0.0045 0.0050 0.0055

intensity (a.u.)

wavelength (Å)

InP SiO

圖4-21 InP 基板在鍍 SiO 薄膜前及鍍上 SiO 薄膜後的穿透光強度頻譜

5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10

0.15 wavelength=15600Å n=1.848

intensity ratio

100000/wavelength (100000/Å)

SiO/InP

圖4-22 SiO 厚度為 2110Å 時，相對穿透光強度與波長倒數關係圖

此次實驗中，我們所欲成長的厚度為

845 . 1

* 4

1550nm 的一倍厚，2100Å，

但實際成長出來的厚度為2110Å

。

根據 Origin 軟體 fit 實驗數據所得 之結果，透射率最高處的波長為15600Å。經由計算得 SiO 薄膜於 15600Å 處的折射率 n＝1.848。

以

上三次實驗的結果整理於表4-1，根據以上三次實驗，我們可

得知SiO 於 1550nm 波長附近之折射率約為 1.85。若要於 InP 基板上 鍍抗1550nm 波長反射之 SiO 抗反射膜,其最佳厚度為

85 . 1

* 4 1550nm

， 2100Å。

表4-2 SiO 薄膜折射率量測結果列表

欲鍍厚度 實際厚度(Å) 穿透率最高處波長(Å) 折射率 n 1550nm×5/(4*1.9) 10670 15850 1.857 1550nm×9/(4*1.857) 18450 15130 1.845 1550nm×1/(4*1.845) 2110 15600 1.848

4-2-3 於以 InP 為基板之 FP laser 鏡面上鍍 SiO 抗反射膜之效果

我們在一以InP 為基板，lasing 波長為 1584.44nm 之 Fabry-Perot laser 的一邊鏡面鍍上厚度為

85 . 1

* 4

44 .

1584

nm

，2141Å，之 SiO 抗反射膜。

在鍍上SiO 抗反射膜之前，我們先量測該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 抗 反射膜之後，我們再一次量測該SOA 的 Fabry-Perot modes 共振頻譜。

量測結果之比較，如圖4-23 所示。

1574 1576 1578 1580 1582 1584 1586

1E-7 1E-6 1E-5 1E-4

intensity (W)

wavelength (nm)

before AR coating (driving current 15mA) after AR coating (driving current 12mA)

圖4-23 鍍抗反射膜前後之 Fabry-Perot modes 共振頻譜

我們利用（4-1）式及所量測得之 Fabry-Perot modes 共振頻譜中，

相鄰兩peak 間的距離。即可求得所鍍雷射的 effective index，neff。

L

0.7nm，因此我們可算出在我們所量測的 Fabry-Perot modes 共振頻譜 範圍內，該laser 的 effective index 在 3.56 左右。假設 laser 兩邊鏡面

（4-3）式中，γ為 laser cavity 中 waveguide 的淨損失係數。L 為 共振腔的長度。而

假設鍍膜前後laser cavity 中 waveguide 的淨損失係數相等，且鍍 膜前laser 兩邊鏡面的反射率 R 皆為 0.315。則我們可求得雷射鏡面在 鍍上SiO 抗反射膜之後，其反射率變成了 1.748× 10^－4左右。

算出SiO 之折射率大約為 1.86 左右，與我們之前在 4-2-2 小節做實驗 所量測得的1.85 相近。

4-2-4 O2 RIE 對 SiO 薄膜之影響

由於以 InP 為基板的雷射其 effective index 從 3.1 多到 3.5 多皆有 可能，為了配合不同effective index 的雷射做 AR coating，我們需要 改變SiO 薄膜中的氧含量，以達到改變 SiO 薄膜 index 的目的。在 SiO 薄膜中，氧的含量越多，其index 愈小。

改變 SiO 薄膜中的氧含量，一般的做法是在 chamber 中通入適當 壓力的氧氣[1]。但通入的氧氣會污染在高溫加熱中的 SiO 材料，使

得SiO 材料在該次鍍膜完後即須丟棄更換，十分的浪費且不方便。

故我們嘗試以 RIE 的方法來改變 SiO 薄膜的折射率。我們在不通 氧高真空的環境下，於InP 基板上沉積某一厚度的 SiO 薄膜，然後量 測該薄膜穿透率大小對波長的變化。接著將該 sample 置入 RIE 機台 通氧氣以300W 反應 5 分鐘。之後再次量測該薄膜穿透率大小對波長

的變化。前後兩次量測的結果如圖 4-24 所示。我們發現該薄膜穿透

率大小對波長變化的曲線有往短波長位移的趨勢。位移的原因可能是 有氧原子被嵌入了SiO 薄膜，而改變了 SiO 薄膜的折射率。但亦有可 能是SiO 薄膜變薄了的原因所致。我們並不確定是哪個原因造成的。

但我們相信以 RIE 通氧改變 SiO 薄膜的折射率，會是一個方便且 可行的方法。值得我們以後繼續地研究下去。

11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 0.95

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40

intensity ratio

wavelength (Å)

beforeRIE afterRIE

圖4-24 通氧 RIE 前後，SiO 薄膜穿透率大小對波長的變化

在文檔中 高電阻率半導體磊晶層及氧化矽抗反射膜之成長 (頁 58-84)