第二章 遠紅外線高反射率反射鏡
2.4 元件製程
2.4.2 製程結果
圖 2.4.2、圖 2.4.3、圖 2.4.4 呈現三種不同洞大小(後面以 r/a 比代稱，r 是洞半徑，a 是週期)的 OM 和 SEM 照片。洞愈大，圓周愈不圓，因為洞越大相對的線寬越小，曝光 干涉的效應越嚴重所致。
GaAs substrate GaAs substrate
SiO2 1.5 μm
GaAs substrate SiO2 1.5 μm
GaAs substrate SiO2 1.5 μm
GaAs substrate SiO2 1.5 μm GaAs substrate
SiO2 1.5 μm
PECVD 沉積 SiO2 旋上 5214E 光阻
DUV 曝光顯影
蒸鍍 Ge 0.78 μm 泡丙酮 lift off
28
(a) (b)
圖 2.4.2 反射鏡元件俯視圖，r/a = 0.33 (a) OM 和(b) SEM 照片
(a) (b)
圖 2.4.3 反射鏡元件俯視圖，r/a = 0.355 (a) OM 和(b) SEM 照片
(a) (b)
圖 2.4.4 反射鏡元件俯視圖，r/a = 0.37 (a) OM 和(b) SEM 照片 10 μm
10 μm
10 μm
29 2.5 量測系統
傅立葉紅外線光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy, 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。
我們可以利用它量測長波長頻譜的反射率與穿透率。
量測系統如圖 2.5.1，首先 FTIR 發出鎢絲燈光源，經過 KBr 分光鏡(5 μm ~ 20 μm) 分光，麥克森干涉後的光射出 FTIR 系統；為了量到樣品的反射率(必頇正向入射)，又 要配合 FTIR 儀器的內建偵測器的位置，所以必頇加裝光學鏡組。樣品前 45 度角放一片 ZnSe 分光鏡，用來導出正向反射出來的光；還有三面反射鏡是用來把導出來的反射光 導入內建偵測器裡。最後 FTIR 將訊號送回電腦得到反射頻譜。
FTIR 量到的反射頻譜只是相對的，需經過校正。校正方法是把原本樣品換成金，
量金的反射率，然後套入換算公式：(0.98 約是金在長波段的反射率)
反射率(λ) = 0.98*樣品反射頻譜/金反射頻譜 (2.1)
圖 2.5.1 反射率量測系統
電腦
FTIR 系統
鏡子 鏡子 ZnSe 分光鏡
樣品 內建光偵測器
偏振片
光源 偵測訊號傳回電腦
電腦送指令控制 FTIR
KBr 分光鏡 移動鏡
鏡子
30 2.6 實驗結果與討論
實驗結果顯示反射鏡元件確實具有波導模態共振的現象，圖 2.6.1 是不同 r/a 光柵之 比較圖，顯示當 r/a 比越大，共振漸漸藍移。與唯 Ge 光柵模擬反射率頻譜(圖 2.6.2)做比 較，發現兩者頻譜都隨著 r/a 比愈大而藍移，與模擬相符。根據波導本徵曲線可知，等 效折射率變小(即 r/a 比變大)，共振藍移，與理論相符。最高反射率位置坐落於 8 μm，
與設計應用的預期相同，不但可於遠紅外線波段達成高反射的效果，還可變化光柵洞的 大小來左右平移反射頻譜，因應不同的需求。
圖 2.6.1 不同 r/a 光柵之反射率頻譜實驗結果
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Larger holes
Reflectivity
Wavelength (m)
r/a=0.33 r/a=0.34 r/a=0.355 r/a=0.37 Larger holes
It must be related to SiO2, not Ge grating.
31
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Reflectivity
Wavelength (m)
r/a=0.37 r/a=0.35 r/a=0.33 Ge grating only simulation result
圖 2.6.2 唯 Ge 光柵模擬反射率頻譜
圖 2.6.3，黑線是實驗量測頻譜，紅線是模擬的結果。發現 7 ~ 8 μm 的曲線疊合較 佳，但 9 到 10 μm 之間卻有明顯的差異，實驗結果顯示 9 到 10 μm 反射率偏低，且出現 兩處凹陷，如圖中箭頭所示。首先要確認凹陷是否為 Ge 光柵造成的，回到圖 2.6.1，在 頻譜 12 μm 以上和 8 μm 附近均有藍移現象，然而中間凹陷處並未隨著 r/a 比變化而變 化，始終停留在原地，這代表凹陷並非 Ge 光柵造成的。
32
圖 2.6.3 實驗與模擬比較
推測應是 SiOx造成的原因，因為 SiOx在該處特有的吸收所致(圖 2.2.1)，為此我們 量測樣品的穿透頻譜以確認該凹陷是否為 SiOx吸收。圖 2.6.4 是反射率(黑線)與穿透率 (紅線)4，發現 8.2 到 9.3 μm 之間得穿透率很低，而 Ge 與 GaAs 於遠紅外波段均不吸收，
故證明它是 SiOx吸收造成。所以表示模擬軟體提供的 SiO2折射與吸收色散頻譜和我們 用 PECVD 沉積出來的不同。
4 穿透率目前無法校正出正確的值，所以用歸一化(Normalized)頻譜代替；穿透率值越低，其值越正確，
所以仍可以判斷 SiOx的吸收位置。
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Reflectivity
Wavelength (m)
Exp. r/a=0.355 Simulation
33
圖 2.6.4 反射率與穿透率比較
為了萃取出 PECVD 於 80℃沉積的 SiOx的色散頻譜，我們接下來針對單純 SiOx在 GaAs 上的樣品進行分析。首先看圖 2.6.5，黑線是模擬的 SiOx+GaAs 反射頻譜，在 10 μm 位置的反射率既高且窄，紅線是 PECVD 成長的 SiOx，而且反射最高峰在 9 μm 而非 10 μm，
兩者差異甚多，主要的原因是兩者的矽氧比與緻密程度不同。利用實驗量測 SiOx在 GaAs 上的反射頻譜，再配合模擬，曲線擬合(curve fitting)出相似的 SiOx折射與吸收色散頻譜。
圖 2.6.6 是擬合與實驗反射頻譜比較，曲線擬合大致上和實驗頻譜類似，接著套用擬合 的折射與吸收色散頻譜來模擬整體的反射鏡元件。
4 6 8 10 12 14 16 18
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Normalized Transmission
Reflectivity
Wavelength (m)
Reflectivity
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Transmission
34
圖 2.6.5 SiOx+GaAs 實驗與模擬反射頻譜比較
圖 2.6.6 SiOx+GaAs 實驗與擬合模擬反射頻譜比較 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Reflectivity
Wavelength (m)
Simulation Experiment SiO2+GaAs
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Reflectivity
Wavelength (m)
Experiment Curve fitting
35
圖 2.6.7 是最終的模擬結果與實驗之比較，發現曲線趨勢吻合許多，特別是 7 μm 到 10 μm 之處。而 8 ~ 9 μm 與 10 μm 附近的凹陷都出現於模擬頻譜上，其中 8 ~ 9 μm 之凹 陷是 SiOx吸收造成的，而 10 μm 附近的凹陷是該處折射率突然增高(圖 2.2.1)使得光柵失 去波導作用所造成的。此圖說明波導模態共振現象是可以實現的。
圖 2.6.7 Ge 光柵+SiOx+GaAs 實驗與擬合模擬反射頻譜比較
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Absorption
Reflectivity
Wavelength (m) Experiment
Simulation
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Simu. absorption
36 2.7 結論
從反射頻譜可知反射鏡元件仍具有波導光柵的高反射率特性，雖然受到 SiOx 的影 響，但於 8 μm 附近高反射率猶存，其優點與意義如下。
應用上，可應用於遠紅外線之光電元件上，譬如用來製作在共振型的光偵測器上。
此外藉由製作不同洞大小的光柵，可調變反射鏡的反射尖峰，讓反射尖峰坐落於光偵測 器的最大響應度上，增加光偵測器的偵測率。
製作上，此元件不使用 e-beam 微影，只頇黃光微影製作即可，簡易又省時，可大 面積大量製作。此外波導光柵反射鏡相較於 DBR 反射鏡的優勢是製作厚度較薄，在遠 紅外波段其優點更為顯著，可省下將近十倍之材料。
理論驗證上，此實驗也證明波導模態共振理論是正確的、可預期的，即使大尺寸的 元件也具有波導共振的特性，根據電磁波的等效原理，我們相信小尺寸光柵也有同樣的 效果，因此希望能更進一步將波導光柵應用於光電元件上。
37
第三章 波長選擇光偵測器
3.1 動機
從上一章的結果我們知道利用波導模態共振原理做出高反射率光柵是可行的，因此 接下來我們更進一步地將波導光柵應用於光電元件上，也就是本章要介紹的波長選擇光 偵測器。
1990 年代關於波導光柵的研究多停留在理論模擬階段，實作較少；2000 年後，波 導光柵理論漸趨成熟，製程技術進步，所以實作的論文也隨之變多，但是多半是針對波 導光柵本身的研究，關於波導光柵應用於光電元件的研究並不多。大約 2006 年後，有 些人開始將波導光柵應用於發光元件，例如垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)[14]，或是微機電[15]，或是漸變式 GMR 與 CCD 結合[16]，或是 各種感測器(sensor)，例如折射率、濕度、壓力[17]或生物感測器等等，然而幾乎沒有將 波導光柵應用於光偵測元件的研究發表。為此我們決定把波導光柵和光偵測器結合起來，
然後設計出波長選擇光偵測器，探討其特性及可能的應用。
3.2 結構與設計原理
波長選擇光偵測器設計基礎源自於共振腔體強化 (resonance cavity enhanced, RCE) PIN 光偵測測器，簡稱 RCE 光偵測器[18]，它的結構是上下兩層 DBR 夾住吸收層，形 成腔體產生共振，藉此加強吸收層的光吸收效率。此結構可以縮短吸收層厚度而且仍能 維持高吸收率，還能縮短載子遷移距離以加快元件反應速度。
然而傳統 RCE 光偵測器的共振波長往往被腔長 (cavity length) 所限制住，一次長 晶僅能得到一種腔長，無法隨意調變共振波長。為此我們利用波導模態共振原理設計出 波長選擇光偵測器，以波導光柵取代上層的 DBR，藉由改變波導光柵的填充因子 (filling factor) 來改變共振腔等效長度，如此一來就能在一片晶圓上製作許多不同共振波長的
38
RCE 光偵測元件。除此之外，我們把較厚的 DBR 換成較薄的波導光柵，可以節省不少 長晶的成本與時間。填充因子定義如下：
2 2
1 r , (3.1) 其中 r 為洞的半徑，為光柵週期。
下圖(圖 3.2.1)是波長選擇光偵測器的結構圖，由波導光柵、DBR、共振腔、吸收層 四部分所構成，下面各節將一一介紹每部分的設計原理，最後把各部分整合起來模擬並 且描述整個元件的基本特性。
(a) (b) (c)
圖 3.2.1 (a)磊晶結構、(b)模擬結構及(c)對應之光場
波導光柵 共振腔 &
吸收層
DBR
39 3.2.1 波長選擇光偵測器之演變由來
介紹波長選擇光偵測器的部件之前，必頇先介紹其前身 PIN 光偵測器與 RCE 光偵 測器，因為諸多基礎原理仍源自於它們。
配合圖 3.2.2 解說波長選擇光偵測器之演變由來：圖 3.2.2 (a) PIN 光偵測器利用厚度 較厚的 I 層來吸收光，其優點是吸收頻寬大，但缺點是反應速度慢。為了增加反應速度 和量子效率，上下加裝 DBR 反射鏡，進而演變形成 RCE 光偵測器，如圖 3.2.2 (b)，其 優點為光波侷限在共振腔內增加量子效率(圖 3.2.3)、腔長變短增加反應速度5，但缺點為 共振吸收波長固定無法變動。為了能調變共振吸收波長，將 RCE 光偵測器上面的 DBR 換成波導光柵，演變形成波長選擇偵測器，如圖 3.2.2 (c)，它不但保留了 RCE 光偵測器 的共振吸收優點，還能藉由設計不同的波導光柵，達成調變共振吸收波長的功能。
(a) (b) (c) (d)
圖 3.2.2 光偵測器演變過程，各偵測器之光場分佈與量子效率公式 (a)PIN 光偵測器、
(b)RCE 光偵測器、(c)波長選擇光偵測器、(d)偵測器之 RC 電路圖
5 腔長不能太短，否則會增加元件 PN 接面的電容，拉長 RC 時間常數(圖 3.2.2 (b))反而降低反應速度。高 量子效率換來的是只能吸收特定波長的光，甚至抑制其他波段的光，如圖 3.2.3。
Rtop
R1
40
圖 3.2.3 RCE 量子效率頻譜[18]
3.2.2 波導光柵
以波導光柵取代 RCE 上層的 DBR 是此偵測器的設計重點。根據前面章節的波導光 柵原理，配合模擬軟體，我們利用高折射率差的物質 GaAs (n = 3.54) 和 Air (n = 1)來設 計出在 0.95 ~ 1 μm 附近有寬頻高反射率的光柵，(圖 3.2.4 (a))，即使變動填充因子，0.95
~ 1 μm 附近仍有高反射率，其參數為：光柵週期 570 nm、厚度 260 nm。
此外為了讓兩種不同偏振方向的光皆能反射，所以設計成圓洞方形晶格(square lattice)排列的二維光柵(圖 3.2.4 (b))。此光柵必頇懸空於 PIN 偵測器之上，使光柵上下充 滿低折射率的空氣，讓光得以在光柵內全反射傳導，如此才能發揮波導光柵的功能以取 代 DBR (圖 3.2.4 (c))。
41
850 900 950 1000 1050 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Reflectivity
Wavelength (nm)
ff=0.615 0.593 0.570 0.546 Guided-mode resonance peaks
Grating thickness=260nm Grating period =570nm
(a) (b)
(c)
圖 3.2.4 (a) GaAs 二維方形晶格光柵反射率頻譜，(b)二維方形晶格光柵，(c)懸空光柵
3.2.3 漸進式布拉格反射鏡
RCE 光偵測器下層的反射鏡仍是傳統 DBR ，其結構為 14.5 層的λ/4 n 型 GaAs/AlAs 堆疊成。為了減低 DBR 異質接面(heterojunction)能帶不連續造成的電阻，每
RCE 光偵測器下層的反射鏡仍是傳統 DBR ，其結構為 14.5 層的λ/4 n 型 GaAs/AlAs 堆疊成。為了減低 DBR 異質接面(heterojunction)能帶不連續造成的電阻，每