第三章 波長選擇光偵測器
3.3 吸收頻譜模擬
3.3.3 波導光柵反射頻譜與吸收頻譜之關係
圖 3.3.5 是 GMR 反射頻譜和元件共振吸收頻譜之比較，每種顏色代表每種填充因子 的反射與吸收頻譜，發現 GMR 反射尖峰和元件共振吸收會隨著填充因子變小而藍移，
但 GMR 藍移的速度較元件共振吸收快很多。因為改變等效折射率，等於改變 GMR 根 本結構，影響重大；對整體元件來說，只是些微改變共振腔長，所以可調範圍有限。不 過 GMR 的高反射頻寬很寬，所以反射頻譜變動再快反射率也降低甚微。
共振吸收波長只和 GMR 之等效折射率有關，與 GMR 之反射頻譜無關，僅提供高 反射率鏡面。然而等效折射率改變時，GMR 反射頻譜之變化較共振吸收波長之變化快，
為了維持共振位置的高反射率，故頇設計寬頻的高反射率 GMR。
圖 3.3.5 GMR 反射頻譜和元件共振吸收頻譜之比較
825 850 875 900 925 950 975 1000 1025 1050 1075 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Absorption
Reflectitivity
Wavelength (nm)
ff=0.615 0.570 0.522
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
51 3.3.3 腔長與可調範圍之關係
腔長與可調範圍之間有密切的關係，關係相當複雜至今尚未明瞭其原理，但是定性 上分析，發現是兩種不同共振型態之間的取捨(trade off)，此定性分析可當作設計共振腔 長之準則。
波長選擇偵測器裡面同時含有兩種共振型態，一個是波導共振，另一個是共振腔共 振，兩種共振型態的交互作用複雜，經過數次模擬，可以歸納出一些簡單的結論：當波 導共振強勢的時侯，共振腔共振就偏弱；當共振腔共振強勢的時候，波導共振就弱勢。
推測可能是光場在空間中要能量守恆，不能兩者同時達到最大共振的關係所致。
舉例來說，如圖 3.3.6 顯示當 GMR 反射尖峰的波長位置(黑線，即波導共振最強烈 的地方)愈靠近吸收尖峰(紅線)時，吸收值(藍線)愈小，而吸收值代表共振腔內的電場強 度，也就是當波導共振太強烈，共振腔共振效果就變弱。
圖 3.3.6 GMR 反射尖峰與共振尖峰飄移、吸收率大小 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70 840
860 880 900 920 940 960 980 1000
Absorption
Peak Wavelength (nm)
Filling Factor
GMR peaks position Resonant peaks position
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Absorption values
52
850 900 950 1000 1050 1100
-0.1
850 900 950 1000 1050 1100
-0.1
0.9 Cavity length=640nm
Absorption
850 900 950 1000 1050 1100
-0.1
850 900 950 1000 1050 1100
-0.1
53 3.4 元件製程
3.4.1 製作流程
首先，利用分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)系統成長經模擬決定所需的結 構；再用電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)沉積 SiNx當作硬光罩(hard mask)。接著用 電子束微影系統(e-beam lithography system)於 PMMA 上定義光柵的圖案，然後用電感耦 合電漿蝕刻機(ICP/RIE)乾蝕刻出 GaAs 光柵。定義元件平台(mesa)用傳統的光罩對準曝 光機及濕蝕刻(H2SO4:H2O2:H2O = 1:8:80)製作；p 型(Ti/Au)及 n 型(Ni/Ge/Au)的金屬電極 則由單電子槍蒸鍍機(e-gun evaporator)製作。最後用稀釋氫氟酸(DHF, HF:H2O = 1:25)蝕 刻掉 AlGaAs 犧牲層形成懸空的波導光柵。下圖為製作的流程圖。
圖 3.4.1 波長選擇光偵測器製作流程
54 3.4.2 製程結果
第一片晶片編號 Lm5006 (圖 3.4.2(a))，磊晶平整，可惜磊晶到後面階段(如方框所示) Ga 的量不足，共振腔長及光柵層厚度皆變薄，且 InGaAs 厚度變薄，吸收波長變到 936 nm，
除此之外最上層的 GaAs 因為 Ga 不足，造成質地較軟，所以掏空 AlGaAs 犧牲層後，光 柵延伸不到三個週期即塌陷(如圖 3.4.3 圓圈所示)。第二片編號 Rn970，從 AlGaAs 開始 長得不平整，不平整一直延伸到 GaAs 層，詴做發現掏空 AlGaAs 掏不乾淨，原因是 AlGaAs 沒排列好，並非單純均勻的 AlGaAs 晶體，而是一塊 Al、一塊 GaAs 等的混合 物。第三片是 Rn979，我們將 Al0.9Ga0.1As 換成 Al0.8Ga0.2As，發現 GaAs 層平緩許多，
但仍有起伏，拿去做製程發現可以掏空，且有共振的效果，所以之後的實驗結果都是用 Rn979 製作出來的。
經過一系列嘗詴後，元件總算順利完成(圖 3.4.4、3.4.5、3.4.6)。最後將晶片背面塗 上可導電的銀膠，黏在訂做好的 LCC 板上，並用打線機把每顆元件一一打上金線，以 連接外部量測線路，封裝完成後即可開始量測。
55
(a) Lm5006 (b) Rn970
(c)Rn979
圖 3.4.2 MBE 磊晶截面圖 (a) Lm5006、(b) Rn970、(c)Rn979
56
圖 3.4.3 光柵塌陷 圖 3.4.4 懸空光柵俯視
圖 3.4.5 金屬電極與光窗 圖 3.4.6 懸空光柵側視
57 3.5 量測系統
3.5.1 偵測器光響應度(responsivity spectrum)量測系統
傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)利用麥克森干涉裝置和傅立葉轉換原理，提供寬頻(0.7 μm ~ 20 μm)的頻譜量測，量測範圍廣且速度快，主要用途是量分子結構的吸收頻譜，比 如某分子吸收特定波長的光，那麼 FTIR 內建偵測器就不會於特定波長產生光電流訊 號。
但在此論文我們要量 850 nm 到 1150 nm 的波段，利用 FTIR 量測快速、使用方便、
提供穩定光源等優點來量測偵測器，只要把 FTIR 內建的偵測器換成波長選擇偵測器，
直接量測光電流，得到光響應度頻譜即可，這只是相對頻譜，絕對頻譜仍需做校正。
圖 3.5.1 FTIR 偵測器光響應度頻譜量測系統
FTIR 系統
白光光源
Switch 轉接開關
SR570 放大光電流訊號
& 提供偏壓
FTIR 處理訊號 交由電腦呈現
提供偏壓 元件
Cryo Stage 降低溫系統
光電流訊號
電腦
電腦送出 提供偏壓指令 放大訊號交由
FTIR 處理
58
( sponsivity nm
EQE ， (3.3) Multi-mode fiber
多模光纖 Multi-mode fiber
多模光纖 Power meter
量入射光功率
暗箱
暗箱
元件 光電流
59 3.5.3 暫態響應量測
用 908 nm 脈衝雷射(pulsed laser 脈衝寬 73 ps)打入元件光窗，從示波器上的光電流 脈衝訊號可以看出暫態響應，系統裝置如圖 3.5.3。
圖 3.5.3 暫態響應量測系統
4145B 提供偏壓
908nm Plused Laser 脈衝雷射 Multi-mode fiber
多模光纖 暗箱
元件 光電流
Tektronix TDS 7404
示波器 PDL 800-B Laser Trigger 觸發雷射儀器 脈衝電壓
同步電訊號 光電流訊號
提供偏壓
60
3.5.4 電激發螢光(electroluminescence, EL)量測
通電流給樣品，讓樣品發光，光譜儀分光得到樣品的發光頻譜，系統裝置如圖 3.5.4。
圖 3.5.4 EL 量測系統
Switch 轉接開關
KEITHLY 2602 電流源 iHR 550
Spectrometer 光譜儀
InGaAs 光偵測器
元件 透鏡聚光
Lockin Amplifier 鎖相放大器
Chopper 電腦
電腦控制光譜儀 偵測訊號
同步訊號 放大訊號
傳至電腦
提供電流 元件發光
61 3.6 實驗結果與討論
我們用 MBE 先後成長了三片晶片，其編號分別是 Lm5006、Rn970 和 Rn979。其中 Rn979 是裡面品質最好的一片，所以我們將呈現 Rn979 的結果，其他兩片則可做為比較。
3.6.1 確認吸收層及 DBR 條件
做製程之前，我們把 MBE 成長好的晶片進行 PL (photoluminescence)和 DBR 反射率 量測，先確保 InGaAs 量子井的吸收波長在 975 nm 以上以及 DBR 反射頻譜中心波長在 950 nm 左右且禁止帶(stop band)延伸 50 nm 以上。
圖 3.6.1 是 Graded DBR 的反射頻譜(黑線)，把 Rn979 拿去蝕刻到 DBR 量到的頻譜。
圖中可知中心波長在 956 nm，禁止帶延伸約 70 nm，反射率 0.91。和模擬(紅線)比較，
實際的反射率比模擬的低，禁止帶延伸較短，可能蝕刻時多蝕刻掉幾層 DBR 的關係，
不過實際的 Graded DBR 已達到我們的要求。
圖 3.6.1 實際與模擬 Graded DBR 反射頻譜之比較
為了確認 InGaAs 量子井的吸收波長，因此進行 PL 量測(圖 3.6.2)，其中黑實線是未 蝕刻 Rn979 的 PL 發光頻譜，發現頻譜內發光尖峰林立，無法判斷 InGaAs 量子井發光 位置，推斷其原因是 DBR 與晶片表面形成之腔體影響 PL 頻譜所致，因為和未蝕刻反射
800 850 900 950 1000 1050 1100
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Reflectivity
Wavelength (nm)
MBE growth Simulation
62
頻譜(藍虛線)比較，發現 PL 發光強之處正好是樣品穿透率高之處，表式此處的光波長 符合腔體而共振易透出。
為此我們蝕刻晶片 80 秒到將近 InGaAs 量子井的位置，如此一來不但去除腔體影響 之因素，還能減少 488 nm 雷射被上層 GaAs 吸收的機會，讓 InGaAs 充分激發發光。圖 3.6.2 中紅實線的尖峰就是 InGaAs 量子井的發光，波長在 992 nm，已達到 975 nm 以上 的要求。
圖 3.6.2 Rn979 之 PL 發光頻譜：未蝕刻(黑實線)、蝕刻 80 秒(紅實線)；Rn979 未蝕刻 反射頻譜(藍虛線)
800 850 900 950 1000 1050 1100 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Reflectivity
PL normalized intensity
Wavelength (nm) Without etching
Etching for 80s
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Reflectivity of
the wafer without etching
63 3.6.2 波長選擇偵測元件量測結果
單一元件量測分析
單一元件量測的結果如圖 3.6.3，首先觀察 870 nm 的平台是 GaAs 塊材的能帶邊緣。
951 nm 是元件共振光響應尖峰，其光響應度(responsivity)峰值約為 0.196 A/W，對應的 外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)約為 25%。982 nm 是 InGaAs 量子井的能 帶邊緣，其右側 1002 nm 是能階較低的激子(exciton)。接下來會經由各種不同的量測方 法來一一分析與確認元件的特性。
圖 3.6.3 波長選擇光偵測元件光響應度頻譜
圖 3.6.4 是沒光柵元件(沒寫 E-beam 的單純元件)和有光柵元件的吸收頻譜，從圖中 發現有光柵的共振頻譜和沒光柵的頻譜差異甚多，光柵顯現它特殊的效果。
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
Exciton 1002nm
InGaAs band edge
982nm
GaAs band edge
870nm Resonant peak 951nm
Responsivity (A/W)
Wavelength (nm) ff=0.595
Room temperature Bias=0V
64
圖 3.6.4 單純元件和光柵元件的光響應度頻譜比較
為了加強確認共振尖峰是由光柵造成的，我們設計了較小(50 μm 見方)且側面可掏 空的光罩，分別做出掏空 AlGaAs 但沒有光柵以及光窗全是光柵的元件來做比較。圖 3.6.5 的黑線是掏空 AlGaAs 但沒有光柵的頻譜，其頻譜平坦，沒有共振的峰值。
圖 3.6.5 掏空但無光柵(黑線)、懸空光柵(紅線)元件之光響應度比較
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 -0.05
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Responsivity (A/W)
Wavelength (nm)
Without grating Grating
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Responsivity (A/W)
Wavelength (nm)
Without grating Only grating
65
接著進行加偏壓量測，過程中施加負偏壓，以確認頻譜中哪些隆起是元件內部電子 效應產生的，哪些峰值是整體元件結構共振產生的。室溫下(293 K)(圖 3.6.6)：零偏壓時，
發現 982 nm 和 1002 nm 有兩包隆起；加負偏壓時，兩包隆起被弭平且紅移。根據 Stark effect 量子井在外加偏壓下，能階下降，所以紅移；因為外加電場拉開電子和電洞，兩 者的波函數重疊部分變少，所以吸收強度變弱。由此推斷 982 nm 是 InGaAs 的能隙吸收，
而 1002 nm 是量子井內能階較低的激子(exciton)吸收；870 nm 附近是 GaAs 的能隙吸收，
大偏壓下亦有紅移和吸收變弱的現象，但右邊那小峰並非激子吸收，因為 GaAs 屬塊材 無能障可留住激子吸收光。值得留意的是，頻譜未受外加電場影響的是在 951 nm 的共 振尖峰，可見此吸收並非電子特有能階的吸收，而是整體元件結構共振產生的，畢竟電 場無法輕易影響元件結構及光場的行為。
圖 3.6.6 零偏壓和負偏壓之頻譜比較
接著進行變溫量測，變溫從 293 K、250 K、200 K、150 K、100 K、65 K 依次降溫 (圖 3.6.7)，隨溫度下降，材料能隙(band gap)均變大，故 InGaAs 和 GaAs 的能隙吸收都
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
Responsivity (A/W)
Wavelength (nm)
0V -3V -4V ff=0.595
Exciton 1002nm
InGaAs band edge
982nm
Stark effect GaAs band edge
870nm
Resonant peak 951nm
Room Temperature 293K
66
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150
-0.02
Exciton blue shift InGaAs band edge blue shift
(band gap) GaAs
band edge
blue shift Resonant peak blue shift
Peak Wavelength (nm)
T (K) Exciton peak
Resonance peak
Slope=0.09 Slope=0.21
67
從圖 3.6.7 發現一個有趣的現象是 InGaAs 的能帶邊緣(band edge)藍移太快，漸漸影 響共振尖峰。從圖可看出 293 K 到 200 K 時，能帶邊緣移到共振尖峰側邊，使得共振尖 峰變胖；溫度繼續降低 150 K 到 65 K，能帶邊緣甚至截斷原來的共振尖峰，只留下左半 邊的共振吸收，產生共振尖峰半高寬變窄的錯覺。順帶一提，當溫度降低時，電子越不 容易利用熱跑出量子井形成光電流，所以共振尖峰訊號漸弱，
變化填充因子之量測分析
圖 3.6.9 是室溫下用 FTIR 量測四種不同填充因子波導光柵元件的光響應度頻譜，同 樣 875 nm 以下的隆起是 GaAs 的吸收，而 950 nm 附近的尖峰是 InGaAs 量子井的共振 吸收，可清楚看見隨著填充因子 ff 變大(0.615 到 0.678)，光響應波長也如預期地跟著往
圖 3.6.9 是室溫下用 FTIR 量測四種不同填充因子波導光柵元件的光響應度頻譜，同 樣 875 nm 以下的隆起是 GaAs 的吸收，而 950 nm 附近的尖峰是 InGaAs 量子井的共振 吸收，可清楚看見隨著填充因子 ff 變大(0.615 到 0.678)，光響應波長也如預期地跟著往