第三章 波長選擇光偵測器
3.3 吸收頻譜模擬
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 長波長調變(分別是 946 nm、949 nm、951 nm、954 nm)，每個填充因子的響應度尖峰間 隔約 3 nm，顯示透過調整填充因子，能夠移動共振尖峰。其平均光響應度(Responsivity) 峰值約為 0.177 A/W，對應的外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)約為 23%。
圖 3.6.10 是實驗數據和模擬數據的比較圖，發現兩者差異最大的地方在於半高寬，
實驗的半高寬約 28 nm，而模擬的半高寬約 8 nm。至於共振的位置和可調範圍雖略有不 同，但調變均在數個奈米之間(實驗約 3 nm，模擬約 4 nm)，並不影響共振調變的本質，
然而半高寬的寬度卻決定波長選擇的解析度，是元件偵測性能的指標之一。所以接下來 會針對實驗半高寬變寬的現象逐步分析造成的原因。
68
圖 3.6.9 波長選擇光偵測器之光響應度頻譜
圖 3.6.10 共振尖峰與半高寬之實驗和模擬的比較
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 0.00
0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.60 0.61 0.62 944
Absorption Wavelength (nm)
Filling Factor
69 3.6.3 分析半高寬過寬之原因
半高寬過寬之可能原因，可分為非光柵區域、熱效應和光柵結構，其中非光柵區域 又分為邊緣無掏空區及光窗掏空區兩類，熱效應分為光柵熱振動與電子熱效應兩類，光 柵結構分為週期數目、洞不均勻和表面不平三類(圖 3.6.11)。
圖 3.6.11 半高寬過寬之可能原因樹狀圖
70
非光柵區域首先懷疑是非光柵區域的原因，即吸收頻譜上有部分的吸收是非光柵區域所疊加而 成的，造成半高寬很寬的錯覺。非光柵區域的來源有兩個(圖 3.6.12)，一個是元件邊緣 的區域，另一個是光窗裡面的區域。這兩個區域都是當時製程上必頇取捨的地方，邊緣 部分是為了讓第二道鍍金屬的對準曝光有 5 μm 的容錯空間而設的；而光窗部分是當初 製作光罩時，光窗為 100 μm 見方，後來疑慮大面積光柵有塌陷下彎的可能，因此退而 求其次，讓光窗中間預留區域不寫 E-beam，掏空的時候可留下部分未蝕刻掉的柱子來 支撐光柵(圖 3.6.13)。
圖 3.6.12 非光柵區域來源示意圖
圖 3.6.13 實作 SEM 照片，支撐懸空光柵
首先確認邊緣區域的部分，從圖 3.6.4 發現光柵共振尖峰兩旁有些微隆起，那是邊 緣區域頻譜疊加的結果。確認邊緣區域是否有影響的方法是：
光柵 光窗區域 邊緣區域
71
有光柵頻譜-沒光柵頻譜*(邊緣區域面積/總面積) (3.5) 運算過(3.5)式後的結果，發現主峰的半高寬沒變(圖 3.6.14)，表示主峰並未受到其 他峰值影響；而且主峰下面內縮，表示主峰甚至寬到影響了兩旁峰值。從這結果可確認 邊緣區域的峰值並非造成半高寬變寬的原因。
圖 3.6.14 運算過(3.5)式的頻譜(紅線)與原始頻譜(黑線)光響應度之比較
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) Original
Substracted by no grating
72
接著確認光窗區域的影響，從圖 3.6.5 非光柵區域沒有共振的峰值可影響頻譜，所 以確認光窗內非光柵區域也不是造成半高寬過寬的原因；紅線是光窗內都是光柵的頻譜，
發現有共振尖峰，所以從這兩條頻譜得知共振尖峰的確是光柵造成的，而且其他非光柵 的區域也不足以影響它。
既然半高寬變寬的原因不是非光柵區域造成，代表說並非元件外在的因素，而是元 件本身的因素所致，所以接下來會著重在光柵本身或是偵測器本身來探討問題所在。
光柵熱振動或吸收層電子熱效應
我們懷疑懸空光柵因為熱而上下振動，使得共振腔長不停變化，造成吸收頻譜半高 寬變寬；或著是吸收層某些電子的熱效應有關，之所以會懷疑吸收層是因為模擬元件時 我們只考慮光柵、共振腔和 DBR 等結構的折射率分佈，只考慮到電磁波在元件內的行 為，沒有考慮到光和電交互作用的行為，電子在量子井的分佈，還有電子產生後形成光 電流中間的過程均未考慮，只是單純地取 InGaAs 塊材在 950 nm 的吸收係數 0.1 μm-1設 做參數跑模擬。當然這些吸收層的因素都太複雜無法一一分析，所以將它通通歸於熱，
因為我們認為折射率對溫度的變化遠小於吸收層電子行為對熱的變化，因此要回顧之前 的變溫量測，觀察熱效應是否是半高寬變寬的主因。
為了避免先前提到的變溫量測 InGaAs 能帶邊緣影響共振尖峰，我們先選出 293 K、
250 K 和 200 K 的頻譜做比較，畢竟只要有 50 K ~ 100 K 的溫度變化就足夠觀察熱效應。
然後再外加負偏壓弭平 InGaAs 能帶邊緣的吸收強度(圖 3.6.15)，讓能帶邊緣影響的效應 降至最低，其結果可以從圖 3.6.16 看出來，不論溫度高低，半高寬都不變，只有折射率 隨溫度變小而變小的藍移現象，約每 50 K 藍移 4.1 nm。
從變溫量測我們得到一些重要的結論：懸空光柵不會因為熱而上下震動，吸收層電 子的熱效應只影響光電流的大小，不影響共振尖峰的半高寬；共振尖峰的吸收完全取決 於共振腔內的光場強度，亦即控制光場強度的元件結構才是決定半高寬的關鍵。
73
圖 3.6.15 204 K 負偏壓弭平 InGaAs 能帶邊緣
圖 3.6.16 折射率隨溫度變小之藍移現象
850 900 950 1000 1050 1100 1150
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Normalized Intensity
Wavelength (nm)
0V -4V ff=0.595
T=204K
Exciton absorption
InGaAs band edge absorption
Pull down the band edge absorption
850 900 950 1000 1050 1100 1150 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Normalized Intensity
Wavelength (nm) 293K
250K 204K
Bias:-4V
ff=0.595
74
75
圖 3.6.17 R1= 0.35、0.55、0.75 的量子效率頻譜
R2、
、d和Leff在可變動的範圍內都不足以大幅增加半高寬，唯R1，即波導光柵 的反射率可以大幅增加半高寬，所以接下來要針對波導光柵的結構與反射率下降的問題 進行分析。波導光柵表面粗糙不平
光波在波導內順利傳遞，首要條件是波導表面要足夠平整(至少在數個波長以上都 要平整)，若表面太粗糙(起伏程度到波長尺寸的等級)會讓光波散射，所以波導光柵表面
光波在波導內順利傳遞，首要條件是波導表面要足夠平整(至少在數個波長以上都 要平整)，若表面太粗糙(起伏程度到波長尺寸的等級)會讓光波散射，所以波導光柵表面