第二章 環型單波導輸出半導體雷射原理
2.6 共軛反射原理
有了上述的整理則可以將之重新寫入 Helmholtz equation：
(∇2 + 𝑘𝑞2) 𝐸𝑞 = −𝑆𝑞，𝑞 = 1，2，3，4 (式 2-55) 每個波的 Helmholtz equation 有包含兩種非線性光學的效應：
I. 每一個波表示其他三個波出現時所產生的組合效應，這可能導致現有波的
27
28 波 4 分別為探測波(probe wave)和共軛波(conjugate wave)，其中共軛波與探測波 除了行進方向相反外，其他光學性質皆相同。相位共軛器是一面特殊的鏡面，可
29 2.7 環型單波導輸出雷射工作原理
圖 2.10 環形單波導輸出雷射四波混頻模型
當施加電流驅動此半導體雷射元件時，隨電流增大，使環型共振腔開始達到 雷射工作條件，其中𝐸1和𝐸2分別為在環型共振腔順時針和逆時針行進的光波，環 型共振腔作動期間若𝐸1和𝐸2激發量子井材料的光學非線性特性，並產生四波混頻 的交互作用，則會在 Y-型共振腔內產生共軛反射波𝐸3和𝐸4，𝐸3和𝐸4透過 Y-型波 導端面的反射形成一直線形光學共振腔，由於直線形波導端會有電流注入，因此 在波導端會形成縱模態的輸出光譜結構，其綜模態間距與 Y-型共振腔的長度有 關；此外，在非波導端，也會因端面反射與四波混頻共軛反射形成另一光學共振 腔，同時非電流注入端會產生類似共軛波共振腔的效果。
若環型共振腔內的光波𝐸1和𝐸2能夠形成共軛反射波，則可以將這兩道光波以 數學式表示為：
𝐸1(𝑟) = 𝐴1exp(−𝑗𝑘1∙ 𝑟) ，𝐸2(𝑟) = 𝐴2exp (−𝑗𝑘2∙ 𝑟)
並利用上一節中推導的結果，欲產生共軛反射波必須先滿足匹配條件𝑘3+ 𝑘4 = 𝑘1+ 𝑘2，且𝐸3和𝐸4的空間波函數相位差也必須為共軛。雖然非波導端並沒 有電流注入，但因為克爾效應而產生自聚焦的效果，故我們希望能藉由觀察波導 端與非波導端的輸出特性，以確定是否符合四波混頻與共軛反射波特性。
𝐸
4𝐸
1𝐸
2𝐸
3𝐸
4’
𝐸
3’
30
四波混頻形成波導端與非波導端兩個直線型共振腔中，波導端因有電流注入 增益，且材料的增益曲線較寬，所以形成了明顯等兼具的縱模態；然而非波導端 沒有電流注入，卻仍具有相對應的光共振縱模態，但因四波混頻產生的機制，其 只有滿足 frequency matching 及 wave number matching 的新頻率產生。
2.8 光學克爾效應
31
Structure Material Thickness concentration type Doping Cap GaAs 100 nm 1~3E+19 p Zn
32
圖 3.1 雷射磊晶片之激發光譜 3.2 半導體環型共振腔元件製程
1. 晶圓切割與晶片清洗
使用晶圓切割機(型號：Karl SussRA120)(如圖 3.2)將兩吋的紅光雷射晶圓 沿著多重量子井發光方向(如圖 3.3)平行或垂直晶面切割成適當大小，再將晶片 依照以下清洗步驟：
(1) 將晶片浸入丙酮溶液，並放入超音波震盪機內震盪 3 分鐘，主要目的為 清除晶片表面的油脂、灰塵或細微顆粒。
(2) 將晶片浸入甲醇溶液，並放入超音波震盪機內震盪 3 分鐘，以清除步驟 (1)中殘留在晶片上的丙酮溶液。
(3) 將晶片浸泡在去離子水(DI water)中，並放入超音波震盪機內震盪 3 分 鐘，以清除步驟(2)中殘餘的甲醇溶液，之後再使用氮氣吹乾晶片表面。
(4) 將晶片浸泡在𝐻𝐶𝑙：H2O = 1：10的混合溶液中 30 秒，以達到去除氧化 層的效果。
(5) 將晶片浸泡在𝑁𝐻4𝑂𝐻：𝐷𝐼 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 = 1：8的混合溶液中 30 秒，以去除 晶片表面殘留的金屬顆粒或雜質。
(6) 最後使用去離子水清洗，再以氮氣吹乾晶片表面。
33
圖 3.2 晶圓切割機(型號：Karl SussRA120)
圖 3.3 多重量子井發光方向 2. 成長𝑆𝑖𝑂2
使用電子束蒸鍍機(ULVAC)(如圖 3.4)，在清洗後的晶片上鍍一層厚度約為 200nm之𝑆𝑖𝑂2(如圖 3.5)，此二氧化矽層將作為之後的 ICP 蝕刻之阻擋層。
圖 3.4 電子束蒸鍍機(ULVAC) Quantum well illuminative
34
圖 3.5 長成厚度200μm的𝑆𝑖𝑂2 3. 光阻塗佈
(1) 使用正光阻(AZP4210)進行塗佈，Step1 的轉速設定為 2500rpm，Step2 的轉 速設定為 6200 rpm，塗佈一層厚度約為 2μm 的正光阻(如圖 3.6)。
圖 3.6 光阻塗佈厚度約為2μm
(2) 為了去除光阻的溶劑成分，須將塗佈後的晶片放入烤箱軟烤溫度為100℃，
約烤 2 分鐘。
圖 3.7 光阻塗佈機
Substrate
𝑆𝑖𝑂2 200nm
Substrate
𝑆𝑖𝑂2 200nm
PR 2μm
35 4. 曝光
使用曝光機(型號：Suss-MA45)(如圖 3.8)，其內部汞燈發光波長為365nm，
功率為250W，實際曝光強度為8𝑚𝑊 𝑐𝑚⁄ 2，曝光時間設定為 20 秒，光罩上即為 環型單輸出圖形，需將其中的直線波導部分平行多重量子井的發光方向(如圖 3.9)。
圖 3.8 曝光機(型號：Suss-MA45)
圖 3.9 曝光製程
Substrate
𝑆𝑖𝑂2 200nm
PR 2μm
36 5. 顯影
使用正顯影液 400K(安智公司製造)與 DI water 混合比例為1：1的溶液，並 將晶片浸入其中，顯影後再放入去離子水中，將殘留的顯影液清洗乾淨，最後用 氮氣吹乾晶片表面(如圖 3.10)；可使用顯微鏡觀察圖形是否完整(如圖 3.11)。
圖 3.10 顯影製程
圖 3.11 顯微鏡下的 Y-型耦合器波導
Substrate
𝑆𝑖𝑂2 200nm
PR 2μm
37 6. RIE 蝕刻(Reactive Ion Etching)
藉著高速離子直接衝撞晶片的方式進行蝕刻，以正光阻作為遮罩，並將多餘 的𝑆𝑖𝑂2去除，最後再將晶片分別浸入丙酮、甲醇、去離子水溶液，將正光阻移除 (如圖 3.12)。
圖 3.12 RIE 蝕刻後去除光阻
7. ICP 蝕刻(Inductively Coupled Plasma)
採用乾式蝕刻來製作雷射波導的結構，由於𝑆𝑖𝑂2較不會與 ICP 蝕刻氣體反 應，故可做為蝕刻時的光罩，將晶片取出後再分別使用丙酮、甲醇、去離子水、
𝐻𝐶𝑙：𝐻2𝑂 = 1：1混合溶液、𝑁𝐻4𝑂𝐻：𝐷𝐼 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 = 1：8混合溶液清洗晶片表面，
以去除蝕刻後的殘餘物質，最後再將晶片浸入HF：DI water = 1：1混合溶液中 約 1 分鐘，便可去除𝑆𝑖𝑂2(如圖 3.13)。
圖 3.13 ICP 蝕刻波導後去除𝑆𝑖𝑂2
Substrate
𝑆𝑖𝑂2 PR
去光阻
200nm
Substrate
𝑆𝑖𝑂2
Substrate
𝑆𝑖𝑂2
Substrate
去𝑺𝒊𝑶𝟐 1.1μm
38 8. 二次對準
重複上述步驟 3.〜5.，同樣使用正光阻(AZP4210)塗佈和軟烤100℃約 2 分 鐘，接著在進行第二次的曝光與顯影，光罩圖形則和第一次相同，完成後環形波 導將被光阻披覆(如圖 3.14)。
圖 3.14 二次對準製程
圖 3.15 顯微鏡下二次對準的結果
9. 成長𝑆𝑖𝑁𝑥
採用低折射率且具有抗反射的高絕緣性材料𝑆𝑖𝑁𝑥，折射率(Refractive index) 為 2.03，其目的是為了達到絕緣和保護環形波導結構。濺鍍𝑆𝑖𝑁𝑥約 5 分鐘，厚度 為150nm，最後再利用丙酮、甲醇、去離子水將光阻去除，以類似 Lift off 的方 式將環形波導上方的絕緣層掀離(如圖 3.16)。
PR
Substrate Substrate
PR 曝光顯影
39
圖 3.16 濺鍍𝑆𝑖𝑁𝑥和去光阻製程
10. n-type 基板研磨
為了降低原件電阻，使環形雷射操作時得到更好的特性出輸，我們將 n-type 基板背面研磨約150μm(如圖 3.17)。先依欲研磨的厚度調整研磨台的高低差，
並將台座用烤盤加熱至90℃使石蠟熔化，晶片正面跟石蠟沾黏固定，再使用研磨 機(如圖 3.18)並加入氧化鋁粉溶液研磨晶片背面基板約150μm。最後將晶片浸 入𝐻𝐶𝑙：𝐻2𝑂2：𝐻2𝑂 = 1：1：10混合溶液中清洗殘留的GaAs顆粒。
圖 3.17 基板研磨
圖 3.18 研磨機
𝑆𝑖𝑁𝑥
Substrate
𝑆𝑖𝑁𝑥 去光阻
Substrate
PR
150nm
Substrate
𝑆𝑖𝑁𝑥 150nm
150μm
40 11. 電極金屬蒸鍍
使用電子束蒸鍍機，將晶片背面鍍上AuGe/Ni/Au合金，厚度約為530nm；
接著在晶片正面(波導面)蒸鍍Ti/Pt/Au合金，厚度約為1050nm(如圖 3.19)。蒸 鍍完後為了使AuGe/Ni/Au合金和Ti/Pt/Au合金能夠與晶片有良好的歐姆接觸，
則使用快速退火機(型號：ULVAC MILA-3000RTA)(如圖 3.20)，退火溫度為 450℃。
圖 3.19 金屬蒸鍍
圖 3.20 快速退火機(型號：ULVAC MILA-3000RTA) 12. 晶片切割
以晶圓切割機(型號：Karl SUSS-RA120)將製作好的環型單輸出雷射晶片從 兩個環形中間的波導結構切割、劈裂，使出輸端形成一完整鏡面(如圖 3.21)，即 完成環型單輸出雷射晶片。
圖 3.21 環型雷射晶片切割前(左)、切割後(右) Substrate
𝑆𝑖𝑁𝑥
AuGe/Ni/Au
Substrate
𝑆𝑖𝑁𝑥
AuGe/Ni/Au
Ti/Pt/Au
41
第四章 半導體環型單輸出雷射特性量測
4.1 L-I 量測系統
藉由量測雷射輸出的特性曲線(L-I 圖)可以得到半導體雷射中臨界電流 (threshold current)。光功率-電流量測系統架構如圖 4.1，利用脈衝產生器(型號：
HP8114A)作為環形雷射驅動裝置，提供脈衝電壓晶由探針將電流注入雷射晶片 (如圖 4.2)，再串連1Ω電阻轉換出電壓訊號，並經由示波器(型號：Tektronix TDS2024)讀取訊號。雷射晶片發出的光經由透鏡聚焦至光偵測器輸入端，再將 訊號連接至示波器讀取。整套系統藉由 GPIB 與電腦連線，再利用 Labview 程式 控制脈衝產生器和示波器，並擷取示波器量測的數據，最後使用繪圖軟體(Origin) 繪出 L-I 圖。
圖 4.1 L-I 量測系統架構
圖 4.2 探針座
42 4.2 光譜量測系統
利用脈衝產生器(型號：HP8114A)經由探針直接接觸元件的電極(p-metal)輸 入電流，其發出的光再經由透鏡聚焦在多模光纖接頭輸入端，將光信號傳送至光 譜分析儀(型號：Triax550)(如圖 4.3)，再透過光譜儀專用電腦軟體(SpextraMax) 擷取光譜分析的資料，並使用繪圖軟體(Origin)繪出光譜圖。
圖 4.3 光譜量測系統架構
圖 4.4 光譜儀(Triax550)
43 4.3 環型雷射量測結果
本實驗測量的樣本脊狀波導蝕刻高度約為1.1μm，接著將會針對值線波導 端(A 端)和非直線波導端(B 端)的光譜特性、L-I 特性曲線的測量結果作討論。
圖 4.5 為環型單輸出雷射晶片模型及相關尺寸代號，其中𝐿1為波導端(A 端)長 度，𝐿2為非波導端(B 端)長度，R 為環型共振腔直徑。
圖 4.5 環形單輸出雷射晶片模型(左)及平面圖(右)
Sample(a)為環型共振腔直徑1000μm、波導端長度為1500μm、非波導端長度 500μm的單輸出波導雷射(如圖 4.6)。從 L-I 圖(如圖 4.7)中可以發現波導端與 非波導端的雷射輸出特性曲線在形狀上呈現互相對稱，根據推斷此現象及有可能 為四波混頻的共軛反射機制造成在非波導端產生一與波導端相對應的直線型波 導，使其兩端輸出曲線形狀類似，但輸出功率明顯為非波導端較強，其可能是因 為波導端輸出鏡面將一部分光子反射至非波導端輸出，雖然非波導端實質上不具 有硬體共振腔，但大部分光子仍因光學克爾效應(本文 2.8 小節)產生的自聚焦效 果，令非波導端也能有一定的雷射功率輸出，再加上波導端鏡面反射光子的加成，
最後形成了此輸出特性曲線的結果。
R
𝐋𝟐
𝐋𝟏
𝟏. 𝟏𝛍𝐦 R
A B
𝐋𝟐 𝐋𝟏
44
45
653 654 655 656 657 658 659 660 661 0
46
653 654 655 656 657 658 659 660 661
0
47
654.0 654.5 655.0 655.5 656.0 656.5 657.0 657.5 658.0 658.5 659.0 0
48
654.0 654.5 655.0 655.5 656.0 656.5 657.0 657.5 658.0 658.5 659.0 0
49
此外，上圖 4.12 和圖中可觀察到非波導端光譜在656.0nm位置出現較明顯 的縱模態譜線，其模態間距約為0.137nm，若利用本文第二章中的式 2-20：
∣ ∆λ ∣≅ 𝜆2 2𝐿 × 𝑛𝑒𝑓𝑓
其中將縱模態波長𝜆 = 656nm，非波導端長度𝐿 = 500𝜇𝑚，𝑛𝑒𝑓𝑓 = 3.2帶入後得到 的∆λ ≅ 0.134nm，與實際上的數據非常接近。
Sample(b)為將單輸出波導環型雷射的直線波導破壞後的晶片(如圖 4.15)，
其 L-I 測量圖(如圖 4.16)中可以發現，當波導端無法提供半通透反射鏡面時，非 波導端輸出功率大幅降低，從波導端光譜圖(如圖 4.17)可觀察到仍有強度較高 的波段，其可能為環型共振腔產生的泵浦波，但不完整的直線形波導仍會產生 LED 光源，故無法清楚觀測雷射波峰，而非波導端光譜圖(如圖 4.18)中無法判 讀出明顯的雷射峰值，僅有強度偏低的大範圍波段，故推測若要達到四波混頻的 效果，必須擁有一定長度且具反射鏡面的直線形波導。
圖 4.15 Sample(b)破壞後的環型雷射結構圖
50
650 652 654 656 658 660 662 664
0
51
654 656 658 660 662 664 666 668 670
1400
52
第五章 結論與未來展望
5.1 結論
本實驗主要探討單輸出波導環型雷射之光學非線性特性，經由許多實驗樣本 的數據整理並分析其模態之後，發現環形共振腔可以有效激發量子井材料的光學 非線性效應，搭配直線形共振腔的直接耦合，便可創造出與一般雷射二極體輸出
本實驗主要探討單輸出波導環型雷射之光學非線性特性，經由許多實驗樣本 的數據整理並分析其模態之後，發現環形共振腔可以有效激發量子井材料的光學 非線性效應，搭配直線形共振腔的直接耦合，便可創造出與一般雷射二極體輸出