布拉格反射鏡雷射

在傳統的邊射型雷射中，鏡面通常都是利用自然劈裂的方式形成，反射率大 約為 0.32。欲增加鏡面的反射率，有以下兩種方式:

1. 鏡面鍍膜

2. 利用深蝕刻布拉格反射鏡(DBR)來取代自然劈裂鏡面

由於鏡面鍍膜必頇劈裂晶圓後方能執行，在整合上並不適當，因此我們選擇後者 來提高鏡面反射率。

A.DBR 原理

布拉格反射鏡是利用兩種材料折射率的差異，以 ABAB 交替排列組成，通常其 寬度約為 1/4 個光學波長的倍數。利用此週期性排列結構，讓某一波段內的光線 無法穿過材料週期堆疊的方向，可視為簡單的一維光子晶體。一般來說，兩種材 料折射率差越大，需要較少的 DBR 對數即可達到90%以上的反射率，若兩種材料 的折射率較為接近，則需要較多層的 DBR 才可以達到90%以上的反射率。

在深蝕刻布拉格反射鏡中，我們利用空氣與砷化鎵相間產生高反射率，由於 空氣(n^r=1)與砷化鎵(n^r=3.6)的折射率差異很大，理論上只需要三組即可達到 99%的反射率。由於 DBR 週期必頇滿足布拉格定律，因此我們將空氣厚度與砷化 鎵厚度定義為D_𝑎與D_𝑔，其寬度必頇滿足以下式子:

D_𝑎 = (^2𝑚:1_4𝑛

𝑎𝑖𝑟) 𝜆, 𝑚 = 0,1,2,3 … … D_𝑔 = (_4𝑛^2𝑚:1

𝐺𝑎𝐴𝑠) 𝜆, 𝑚 = 0,1,2,3 … …

當 m=0 時，我們稱此 DBR 為 1st order DBR，而 m=1 時為 3rd order DBR，

(2.26)

(2.27)

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由此列推。下表為 1st order 與 3rd order DBR 的理論寬度。

λ (μm) 1^st

l (nr=3.6) 1^st

a (nr=1) 3^rd

l (nr=3.6) 3^rd

a (nr=1)

QWLD 0.98 0.07 0.245 0.21 0.735

QDLD 1.3 0.09 0.325 0.27 0.975

圖 2-7-1 與圖 2-7-2 分別為波長在 1µm 時的 1st order 與 3rd order DBR 反射頻譜。由圖可發現，1st order DBR 具有較寬的禁止帶(stopband)，這表示 1st order DBR 對於厚度的實驗誤差值有較高的容忍度。相較之下 3rd order DBR 反射頻譜的禁止帶就小了許多，因此當厚度有誤差時，其發光波長將有機會掉出 禁止帶外，造成較低的反射率。

表 2-7-1 DBR 理論寬度

圖 2-7-1 1st order 反射頻譜

圖 2-7-2 3rd order 反射頻譜

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B.反射率計算

由模擬可得知，當 DBR pair 的數目超過三層後即可達到 99%的反射率。但 由於製程上的因素，使得實際元件的反射率不如預期來的高，因此我們必頇透過 參數的萃取，才能得到實際的反射率。在此列出三種反射率的計算方式與推導。

1. 臨界電流密度比值法

在量子井的結構中，最大增益係數隨著載子濃度的增加一開始上升很快，接 下來便有飽和的趨勢，我們可以用對數近似的方式擬合增益係數對臨界電流密度 的變化:

𝑔 = 𝑔 ₀ln (_𝐽^𝐽

0) 又根據我們由臨界條件可得:

𝑔_𝑡𝑕 = 𝛼_𝑖 +_2𝐿¹ ln (_𝑅¹

1𝑅₂) 接著我們將式(2.28)代入式(2.29):

𝑔 ₀ln(𝐽) − 𝑔 ₀ln(𝐽₀) =¹_𝐿×¹₂ln (_𝑅¹

1𝑅2) + 𝛼 _𝑖 整理後可得:

ln(𝐽) =¹_𝐿×_2𝑔 ¹

0ln (_𝑅¹

1𝑅₂) + (ln(𝐽₀) +_𝑔 ^{𝛼 𝑖}

0) 求出臨界電流密度、共振腔倒數與反射率的關係為:

ln⁡(J)

1⁄L ∝ ln (_𝑅¹

1𝑅2)

之後我們只要找出兩種不同鏡面雷射(組合不得超過兩種 R 值)其臨界電流密度 與共振腔倒數圖的斜率比，即可求出鏡面反射率。

(2.28)

(2.29)

(2.30)

(2.31)

(2.32)

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2. 出光比例比較法

當半導體雷射兩端的反射率不同時，兩端的出光強度就不會相同。根據 2.2.1 節臨界條件的推導中，我們可假設前端與後段出光強度分別為:

𝑃₁ = (1 − 𝑅₁)𝐼₀𝑒^{(𝑔;αi)∙𝐿} 𝑃₂ = (1 − 𝑅₂)𝐼₀𝑒^{(𝑔;αi)∙𝐿}

由上式，我們可以求出出光比為:

⁡ ^𝑃_𝑃¹

2 = ^{(1;𝑅1)𝐼0𝑒(𝑔−αi)∙𝐿}

(1;𝑅₂)𝑅₁𝐼₀𝑒^{2(𝑔−αi)∙𝐿}

⁡⁡⁡= ^(1;𝑅1)

(1;𝑅₂) ^𝑅1

√𝑅1𝑅2

= ^{(1;𝑅1)√𝑅2}

(1;𝑅₂)√𝑅₁

因此，只要知道其中一端的反射率，我們即可求出另一端的反射率。

然而在 DBR 的收光過程中，我們無法完整收到全部的光，勢必在 DBR 中會有 些許損耗，因此我們必頇加入一損耗因子 S，才能更符合實際狀況，將改寫的式 子表示成:

𝑃₁

𝑃₂⁡ = ^{(1;𝑅1;𝑆1)√𝑅2}

(1;𝑅₂;𝑆₂)√𝑅₁

其中自然劈裂鏡面的損耗因子𝑆_{𝑐𝑙𝑒𝑎𝑣𝑒} = 0，但因為加入損耗因子後會出現兩個未 知數，因此還必頇利用其他反射率計算法來聯立求出。

(2.33) (2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

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3. 微分量子效率倒數截距比值法

在半導體雷射中，我們通常利用微分量子效益(differential quantum efficiency)萃取內部量子效率與內部損耗:

𝜂_𝑑1 = (_1:1¹

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2.8 溫度特性與特徵溫度

^[4]

在半導體雷射中，溫度對於雷射特性有顯著的影響。由於溫度上升時有許多 因素使臨界電流密度會升高、操作效率愈差、輸出光的功率減少，為了衡量半導 體雷射特性對溫度的敏感度，我們可定義特徵溫度𝑇₀ (characteristic

temperature)，當T₀越大代表半導體雷對溫度的特性影響愈小；反之若越小，

則代表對溫度的特性影響愈大。而臨界電流密度隨溫度的變化量可用下式來表 示:

𝐽_𝑡𝑕= 𝐽_𝑡𝑕0𝑒^{𝑇𝑗⁄𝑇0}

其中T_j是主動層的接面溫度，J_tho是材料參數，代表絕對零度時的起始電流。對 GaAs 雷射而言，典型的T₀值約 100~160K，對 InGaAsP 雷射而言，典型T₀約為 50~70K，InGaAsP 雷射大多應用於1.3 m 及1.55 m 光纖通訊波段，此材料的導電 帶能帶偏移(E_C)較小，很容易產生漏電流，再加上因為波長的關係造成能隙 (E_g)較小，歐傑復合(Auger recombination)速率較快，因此起始電流密度很 容易隨著溫度上升而迅速增加。

接著我們仔細討論溫度造成臨界電流上升的因素:

(1)透明載子濃度與密度上升:

由於注入的電流需要先達到透明狀態後雷射才會開始有正的增益產生，

因此臨界電流會受到透明電流的影響，而透明電流密度正比於透明載子 濃度𝑛_𝑡𝑟，且𝑛_𝑡𝑟 ∝ 𝑇^{3 2⁄} ，因此當溫度升高時，透明載子濃度上升造成透 明電流上升，進而影響到臨界電流，使臨界電流密度上升。

(2)漏電流增加:

由於 Fermi- distribution 使能階變得平緩，載子很容易就高過E_C或 EV

 貢獻到漏電流，留在主動層的載子數目愈來愈少。一旦有效載子密 (2.43)

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因為 Fermi- distribution 變得平緩，且基態消耗載子速率變慢(飽和淨 增益降低)，使得激發態載子累積速率變快，然而溫度效應同樣使得激發 態頇達到的臨界電流提高，激發態雷射提前的速度不如長度效應來的明 顯，且更高溫時，Fermi- distribution 變得更平緩，載子填充到激發 態之上的比例變多，臨界電流也更增加，使得激發態雷射臨界電流也變 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) 10C

Power (mW)

圖 2-8-1 量子點雷射變溫 L-I-V 圖

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2.9 蝕刻基礎

^[14]

在半導體中，蝕刻是一種需要將某種材料自晶圓上去除時所利用的製程。通 常利用腐蝕性物質移除部分薄膜材料，已達到產生所需圖案或全區蝕刻的技術。

討論之前，首先我們必頇先定義以下名詞。

(1)蝕刻速率(Etch Rate)是指蝕刻製程中物質被移除的速率:

蝕刻速率= 蝕刻深度 蝕刻時間

(2)選擇比(selectivity)是指不同材料蝕刻時所造成不同蝕刻速率 的比率:

選擇比=材料A 蝕刻速率 材料B 蝕刻速率

(3)蝕刻輪廓(Profile):蝕刻輪廓將影響之後的蝕刻狀況。以此碩論 為例，利用光阻與 Si³N⁴蝕刻 GaAs，若光阻與 Si³N⁴蝕刻輪廓有過 蝕刻及不平整，GaAs 就無法有最佳的蝕刻 DBR 鏡面。

蝕刻方式主要可將其分為化學蝕刻、物理蝕刻以及反應式離子蝕刻兩種，

這三種方式的機制並不相同，各有優劣，以下分別介紹之:

(1)化學蝕刻:

化學蝕刻又被稱為濕蝕刻，技術也較早被開發，主要依靠薄膜與特定溶 液間的化學反應，針對未被光阻覆蓋處進行薄膜去除。其優點為製程單 純，產能速度較快，並具有優秀的蝕刻選擇比，因此常用於剝除製程上，

如剝除光阻或氧化層。然而因為化學反應的發生並無方向性，故化學蝕 刻為等向性蝕刻輪廓(Isotropic Etch Profile)。因此當圖形尺寸較小 (通常約為 3 微米以下)時，會造成底切(Undercutting)，影響其輪廓，

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也限制了化學蝕刻的應用。

(2)物理蝕刻:

物理蝕刻屬於乾式蝕刻，是一種純物理的轟擊式蝕刻。以氬轟擊為例，

材料受到氬離子轟擊之後從表面脫離，這種強迫式蝕刻通常蝕刻速率 非常的慢，選擇性也較低，但由於具有菲等向性蝕刻輪廓(Anisotropic Etch Profile)的特性，因此還是可以蝕刻出較垂直的側壁。

(3)反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etch ,RIE):

反應式離子蝕刻亦屬於乾式蝕刻，是一種同時包含物理性與化學性蝕 刻優點的方法。對低壓狀態下的容器內氣體施以電壓，將氣體分子激 發或解離成電漿，接著電漿將與蝕刻氣體碰撞放電，進而得到具有大 量腐蝕性的活性自由基離子及帶正電荷離子。離子轟擊最大的好處是 能打斷表面化學鍵，使得被蝕刻物表面分子更容易與自由基離子進行 化學腐蝕反應。又因晶圓置於帶負電的陰極上，因此帶正電荷的離子 加速祥陰極方向前進時，會以垂直角度撞擊到表面，得到較佳的非等 向性蝕刻，甚至可以控制其角度。我們亦可藉由化學腐蝕反應得到較 高的選擇性與蝕刻速率。

蝕刻速率 選擇比 蝕刻輪廓

化學蝕刻 較高 較佳 等向性

物理蝕刻 較低 較差 非等向性

反應式離子蝕刻 高，可控制 尚可，可控制 非等向性，可控制

表 2-9-1 製程方式特性比較

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第三章 實驗製程與量測設計

3.1 製程流程

本實驗一開始先定義雷射線寬，形成脊狀波導結構後，塗佈 polyimide，一 方面形成絕緣層，另一方面亦可平坦化表面，使之後蒸鍍的金屬不容易脫落。完 成絕緣體的塗佈後，定義金屬電極層，再沉積 Si3N4開始定義 DBR 區域，最後利 用 ICP RIE 做鏡面蝕刻，即可完成 DBR 雷射製程。

A.DBR雷射製程流程表

雷射線寬定義

懸塗絕緣層

金屬電極層定義

沉積 Hard mask(Si³N⁴)

DBR 定義

ICP RIE 鏡面蝕刻&

完成製程

表 3-1-1 DBR 雷射製程流程表

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B.DBR雷射製程流程示意圖

(2)沉積 Si³N⁴ (1)清洗晶圓

(3)第一道微影製 程與乾式蝕刻 hard mask

(4)乾式蝕刻形成 脊狀波導結構 (mesa etching)

(5)polyimide 平 坦化

(6)etching back

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(7) 第二道微影 製程、鍍 p-type 金屬、磨薄&鍍 n-type 金屬

(8) 沉積 Si³N⁴

(9) E-beam 定義 DBR 鏡面與乾式蝕 刻

(10)去除 Si³N⁴ 並劈裂鏡面

圖 3-1-1 DBR 雷射製程流程示意圖

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3.2 DBR雷射製程

(1)清洗晶圓

在進行雷射製程之前必頇先清洗晶圓以去除汙染物。首先使晶圓浸泡於丙酮 (Acetone)溶液中輕輕搖晃數分鐘去除表面微小顆粒汙染物與有機汙染物，再以 去離子水(DI water)沖洗五分鐘。接下來使用𝐻𝐶𝑙: 𝐻₂𝑂 = 1: 3溶液浸泡 30 秒去 除晶圓表面原生氧化物，最後再以去離子水沖洗五分鐘後使用氮氣槍吹乾。

(2)沉積Si3N4

在此製程中，我們使用的是乾式蝕刻技術，由於Si³N⁴與GaAs在乾式蝕刻時可 達較高的選擇比，因此在定義雷射線寬之前必頇沉積Si3N4當作hard mask。在此 使用高溫沉積，沉積條件為300℃沉積20分鐘，沉積厚度為5000Å。

(3)第一道微影製程(photolithography)

在第一道微影製程中選用的光阻是 AZ6112 正光阻，將光阻滴滿晶圓表面後，

藉著晶圓旋轉的離心力將其均勻塗佈至晶圓表面。在轉速的方面，自旋轉速越高，

藉著晶圓旋轉的離心力將其均勻塗佈至晶圓表面。在轉速的方面，自旋轉速越高，

在文檔中 深蝕刻布拉格反射鏡之邊射型微共振腔半導體雷射 (頁 29-0)