波導模態共振反射鏡

決定下層 DBR 後發現其反射率只有 90% 左右，根據 2.2 節中的基本原理，

上面的反射率不可能大於下面的反射率，以及考慮到吸收層的影響，所以原先設 計的 GMR 反射鏡需略作調整才能用在 QDIP 上，最終的結果是一層 1353 nm 的 SiO 2與上面一層 283 nm 的 Ge 次波長光柵所組成，此光柵的晶格種類為六方晶 系，其週期為 5 µm，洞半徑為 1.65 µm。

模擬上，Ge 的折射率為 4.0[25]，SiO2的光學參數亦是由軟體資料庫提供(如 圖 3.5)。GMR 反射鏡的模擬結構為 Ge/SiO2次波長光柵長在 GaAs 基板上(如圖 3.6)，模擬時，其入射光由空氣入射，其模擬的反射率如圖 3.7，在 8 µm 有約 75%

的反射率。

圖 3.5、SiO2的折射係數 n 與消光係數 k

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圖 3.6、GMR 反射鏡的模擬結構與參數。模擬時，入射光由空氣入射

圖 3.7、GMR 反射鏡的模擬反射頻譜²

2反射頻譜中，9-10 µm 的 dips 透過模擬確認後，推測可能是有共振的 mode 在裡面，導致反射率 上升，但因為波長不在我們有興趣的地方，故不作其它的討論。

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3.3 模擬 模擬 模擬 模擬結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論

在第 3.2 節已將 RCE-QDIP 的各部份詳細描述，圖 3.8 是整體元件的模擬結 構及參數，整體結構約為 7.7 µm，而右下角為單位晶格的俯視圖，此為六方晶系 的光柵，週期為 5 µm，洞半徑為 1.65 µm。本章節將依序論述整個元件的模擬結 果，包括電場分佈及吸收頻譜，及考慮到實際面的問題，亦透過模擬來確認其元 件可行性，最後則是探討量子點與元件吸收率之關係，並與第 2.2 節比較。

圖 3.8、RCE-QDIP 的模擬結構及參數，右下角為單位晶格的俯視圖

3.3.1 電場分佈及吸收頻譜 電場分佈及吸收頻譜 電場分佈及吸收頻譜 電場分佈及吸收頻譜

如圖 3.9(a)所示，針對 8 µm 的入射光，在單位晶格的中心而沿著 z 方向所 模擬出來的電場分佈，可發現其共振腔長約為一個 λ，其中量子點層落在電場最 強的位置，即便是最上層和最下層的量子點的電場強度也有電場最大值的 73%，

的確如預期的導致強烈的吸收。另外，RCE-QDIP 模擬的元件反射、穿透與吸收

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頻譜如圖 3.9(b)所示，在 8 µm 下，發現元件反射率幾乎為 0，元件穿透率約為 39.9%，元件穿透率相較起來仍較高，而圖 3.9(a)中，空氣中的電場非常弱，但 基板的電場仍十分強，代表元件的反射率很低以及穿透率較高，這部份與圖 3.9(b) 所顯示的結果相比是相同。圖 3.9(c)是對應的吸收頻譜，其中 RCE-QDIP 及無共 振腔之 QDIP 的吸收峰值分別約為 60% 及 3%，故共振腔使量子轉換效率約提升 20 倍左右。欲估計共振腔使 QDIP 的光電流提升多少倍，只需將它們的吸收頻譜 乘上黑體輻射頻譜密度(spectral density)，積分之後的數值再相除即可知道，若考 慮黑體溫度為 300 K，經過計算後得知光電流受益於共振腔而提升了約 11 倍，

其原因為透過共振腔，的確可以增強 8 µm 的光，但同時也抑制非其它波段的光，

因此在 8 µm 的峰值增強 20 倍，但整個面積只增強 11 倍。

綜合上述結果，若欲達到更高的元件吸收率可透過多磊晶一層 Al2O3/GaAs 來獲得更高反射率的 DBR，但整體厚度太厚亦不理想；或透過縮減量子點層之 間的 GaAs 層厚度，使得在強電場區域內能放進更多的量子點層，但也必須考慮 到磊晶時應力的累積。

(a)

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圖 3.9、模擬結果 (a) RCE-QDIP 電場分佈。(b) RCE-QDIP 之元件反射、穿透與吸收頻 譜。(c)吸收頻譜，紅實線為 RCE-QDIP，藍虛線為無共振腔之 QDIP

3.3.2 元件可行性 元件可行性 元件可行性 元件可行性

為了確定元件在製程上的可行性，我們考慮下列四個參數，確認它們對共振 波長的影響程度，這些參數分別是光柵洞半徑(如圖 3.10(a))、Ge 的厚度(如圖 3.10(b))、SiO2的厚度(如圖 3.10(c))及共振腔厚度(Tc) (如圖 3.10(d))，而這些參數

(c) (b)

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是對應到實際製作時可能會發生的問題，其中前三個參數是屬於製程上的誤差，

第四個則屬於樣品成長時的誤差。洞半徑的誤差為±0.3 µm，Ge 和 SiO2的厚度誤 差為±10%，從模擬結果中可以明顯看出這三個參數對於共振波長和吸收尖峰是 幾乎沒有影響，然而隨著共振腔變長 5%則共振波長紅移至 8.29 µm，變短 5% 則 藍移至 7.71 µm，但因為此量子點的吸收帶很窄，厚度改變易使共振波長落在吸 收帶外而導致吸收峰值驟降，故共振腔厚度是其中最靈敏的參數。從這四個模擬 結果看來，只有共振腔厚度需要注意，不過實際上不必太擔心其成長誤差，因為 使用分子束磊晶系統(molecular bean epitaxy, MBE)成長樣品，其成長誤差應可小 於 1%，因此，透過上述的討論，可驗證我們設計的可行性。

(b) (a)

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圖 3.10、(a)光柵洞半徑，(b) Ge 光柵的厚度，(c) SiO2層的厚度，(d)共振腔厚度(Tc)

另外，我們也計算了此元件對於入射角度的相關性。透過畫出其元件的反 射、透射以及吸收峰值對入射角度的關係圖，如圖 3.11，發現其吸收尖峰在入射 角小於 10°是幾乎未受影響的，當入射角大於 10°則開始快速減小，當入射角大 於 25°則降至 10% 不到，此現象的原因是因為當入射角愈來愈大，其上層 GMR 反射鏡與下層 DBR 的反射率也會改變，兩者改變的情形不同而導致共振效果愈 來愈差，甚至最後無法共振而退化成一般的 QDIP。

(c)

(d)

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圖 3.11、RCE-QDIP 的反射、透射以及吸收峰值對入射角度的關係圖

3.3.3 量子點的內部吸收之影響 量子點的內部吸收之影響 量子點的內部吸收之影響 量子點的內部吸收之影響

就如之前提到的，由於量子點的吸收具不確定性，儘管一開始給定一個量子 效率來方便計算，但事實上還需考慮到吸收光的電子從量子點跳出來並被收集的 能力，另外 QDIP 的量子效率亦會隨著外加偏壓與溫度而改變，為了解決這一連 串的問題，我們研究元件吸收與量子點的量子效率的關係，而且設計了總共三種 GMR 反射鏡，分別是 GMR-A、B 及 C，其中 GMR-A 即是原本的 GMR 反射鏡(即 圖 3.6 的 GMR 反射鏡)，而 GMR-B 是 217 nm 的 Ge 和 1514 nm 的 SiO2，GMR-C 則是 349 nm 的 Ge 和 1220 nm 的 SiO2，它們有著相同的週期以及洞半徑，但因 為有不同厚度的 Ge 和 SiO 2，也因此有不同的反射頻譜。圖 3.12 為三種反射鏡 的反射頻譜，其模擬的結構都是 Ge/SiO2次波長光柵長在 GaAs 基板上。

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圖 3.12、GMR-A、GMR-B、GMR-C 的反射頻譜

圖 3.13 為無共振腔的 QDIP 及使用三種反射鏡的 RCE-QDIP 的吸收峰值對 量子效率作圖。先比較使用 GMR-A 的 RCE-QDIP 與無共振腔的 QDIP 之間的差 異，隨著增加的量子效率，無共振腔的 QDIP 的吸收峰值則單調遞增，而使用 GMR-A 的 RCE-QDIP 的吸收峰值則是快速增加，達到最大值後逐漸下降，觀察 另外兩個反射鏡的 RCE-QDIP 也都有類似的趨勢，只差在於吸收最大值及發生 最大值的量子效率不一樣，我們將三種反射鏡的結構參數及其 8 µm 的反射率，

還有三種 RCE-QDIP 的吸收最大值和發生最大值的量子效率皆列於表 3.1，發現 當具有愈高反射率的上反射鏡，會在量子效率愈小的位置發生吸收最大值，此現 象與 2.2 節中的基本原理有相同趨勢。接著我們將使用三種反射鏡的 RCE-QDIP 與無共振腔之 QDIP 的吸收峰值相除，可畫出增強因子對量子效率的關係圖(如 圖 3.14)，亦發現如 2.2 節中的基本原理所預期，隨著量子效率增加，增強因子逐 漸下降。

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GMR Reflector GMR-A GMR-B GMR-C

Ge (nm) 283 217 349

SiO2 (nm) 1353 1514 1220

Reflectivity ~75% ~65% ~82%

Device absorption Max. @ ηi 0.699 @ 5.7% 0.784 @ 7.7% 0.592 @ 4.3%

表 3.1、三種 GMR 反射鏡的結構參數、反射率，以及其對應的元件吸收最大值與發生 之量子效率位置

圖 3.13、元件吸收峰值對量子效率之關係圖 (黑框線為無共振腔之 QDIP，紅實線、藍 點線、綠虛線分別為使用 GMR-A、B、C 的 RCE-QDIP)

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圖 3.14、增強因子對量子效率之關係圖

(紅實線、藍點線、綠虛線分別為使用 GMR-A、B、C 的 RCE-QDIP)

3.4 小結 小結 小結 小結

我們成功設計出一個偵測波段在 8 µm，整體厚度約為 7.7 µm 的 RCE-QDIP，

根據模擬結果，其元件吸收率最大值為 59%至 78%，且其增強因子為 7 至 20 倍，

並透過模擬驗證我們的設計在製程上是可行的，藉由了解元件效率跟量子點的吸 收係數的關係，發現若想讓偵測器性能更好，我們可以對於一個給定的 GMR 反 射鏡去改變吸收層的吸收效率，亦或者針對固定的量子點的量子效率來設計共振 腔結構。

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第 第

第 第 4 44 4 章 章 章 章 元件製程及量測 元件製程及量測 元件製程及量測 元件製程及量測

本章依序介紹樣品製備的流程與元件量測的方法，由於在樣品製備與元件量 測上遇到不少的困難，結果也不如預期，因此過程中面臨的問題與其克服的方法 將是本章的主軸。

4.1 製作流程及光罩設計 製作流程及光罩設計 製作流程及光罩設計 製作流程及光罩設計

首先，利用分子束磊晶系統成長經模擬決定的結構，將 2.4 MLs 的 InAs 量 子 點 成 長 在 In0.15Ga0.85As (2nm) ， 上 面 再 依 序 覆 蓋 Al0.3Ga0.7As (2nm) 與 In0.15Ga0.85As (4nm)來組成 CE-DWELL 結構，而吸收層即是 10 層 CE-DWELL 結 構組成，它們之間由 47 nm 的 GaAs 層隔開，為了符合共振腔厚度，上層與底部 接觸層(top and bottom contact)分別為 1019 nm 與 898 nm，n+ GaAs 的摻雜濃度 為 2×10¹⁸ cm^-2，另外，下層 2 nm 厚的 In0.15Ga0.85As 中間有 Si δ-doped 層，其濃 度約為 2×10¹⁰ cm^-2，目的是為了提供量子點吸收用的載子。下層 DBR 為 1.5 週 期，氧化前的材料選擇為 Al0.98Ga0.02As[27]，Al0.98Ga0.02As 與 GaAs 的厚度分別 為 1493 nm 與 599 nm。

圖 4.1、磊晶結構

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元件製程的第一步是定義元件平台(mesa)，其目的在於元件隔離，使元件之 間能獨立操作而不受彼此的干擾，做法為利用傳統的光罩對準曝光機及硫酸雙氧 水蝕刻液(H2SO4：H2O2：H2O=1：8：80)，蝕刻至露出底部接觸層，並緊接著用 電漿輔助化學氣相沉積系統(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 沉積 SiOx覆蓋表面。

第二步是在元件的前後端定義氧化窗口，做法是同樣是利用光學微影的方式 開出洞口，利用緩衝氧化矽蝕刻液(buffer oxide etcher, BOE)蝕刻 SiOx，再用硫酸 雙氧水蝕刻液深蝕刻至兩層 Al0.98Ga0.02As 皆露出，緊接著濕式氧化(其細節在第 4.1.1 節說明)，氧化後的 Al0.98Ga0.02As 轉變成 AlOx，而 SiOx除了結構需要，在 氧化過程中也用來保護樣品的表面。其中要注意的是若需在 SiOx上做黃光微影，

必須先上六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane, HMDS)再上光阻 AZ 5214E，原 因是光阻對於 SiOx的附著力很差，在蝕刻過程中容易剝落，在蝕刻時易遭側蝕 破壞。從圖 4.2 可看出有無 HMDS 的差異，圖 4.2(b)中的圖形即是氧化窗口，是 蝕刻下去的部份。圖 4.2(a)的黃色框框為正常的氧化窗口大小，而黃色箭頭為 BOE 向外側蝕的方向。

圖 4.2、BOE 蝕刻結果 (a)未上 HMDS，黃色箭頭為 BOE 側蝕方向。(b)有上 HMDS 100 µm 100 µm

(a) (b)

氧化窗口

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第三步是在 Ge 光柵的製作，這步驟是最關鍵的一步，由於光柵中最小的線 寬為 1.5 µm，我們先將曝光機光源換為短波長(220 nm)再去做黃光微影。在上面 鋪上光阻 AZ 5214E 後，要注意的是光罩與樣品必須貼得愈近愈好，愈近才有可

第三步是在 Ge 光柵的製作，這步驟是最關鍵的一步，由於光柵中最小的線 寬為 1.5 µm，我們先將曝光機光源換為短波長(220 nm)再去做黃光微影。在上面 鋪上光阻 AZ 5214E 後，要注意的是光罩與樣品必須貼得愈近愈好，愈近才有可