3-1 光子晶體製程
本實驗中，我們製造二種不同的二維光子晶體平板結構來當雷射鏡面，以下 分別介紹二者製程(本論文以後分別稱此二者為傳統鏡面和空橋式鏡面)︰
(A) 傳統鏡面
我們利用電子束微影系統(E-beam lithography)與電感耦合電漿乾式蝕刻 (Inductive coupled plasma etching；ICP)在 GaAs 晶片上製作二維光子晶體。
因為電子束微影專用的光阻”PMMA”分子結構不夠緻密，無法在做乾式蝕刻 時有效的擋住ICP 電漿的轟擊，所以先用電漿增強型化學氣相沉積(Plasma enhanced CVD；PECVD)在晶片上沉積一層 SiN，厚度約 3200 Ǻ 來當作蝕刻阻擋 層，之後再以轉速為6100 轉旋鍍上光阻(我們使用的光阻為 PMMA-A5)，來使光 阻厚度降至2300Ǻ，以利直徑小於 150nm 圓洞之製作。
Substrtae GaAs PMMA 2300 Ǻ
SiN 3200 Ǻ
旋鍍上光阻後，將光阻以180˚C 硬烤 90 秒，便將設計好的圖樣經由電子束 微影系統直接寫在光阻上面，由於電子束微影的解析度極高，所以我們可以輕鬆 地製作出許多精密的圖樣，之後經由顯影液MIBK / IPA (1:3)顯影和定影液 IPA 定影之後，便可將圖樣順利的轉移到光阻上，結果如圖3-1、圖3-2所示。
將圖樣轉移到光阻之後，接下來就是利用乾式蝕刻將圖樣轉移到晶片上。
ICP(Inductively coupled plasma)蝕刻或RIE(reactive ion etching)是被廣泛使用 的蝕刻技術，它結合了物理性離子轟擊與電漿氣體化學反應，所以兼具了 物理性蝕刻的非等向性以及化學性蝕刻的高選擇比兩項優點。第一步，使 用CHF3 / O2混合氣體利用RIE模式轟擊，將光阻的圖樣轉移到SiN，並用丙 酮去除光阻，只留下SiN，結果如圖3-3、圖3-4所示；第二步，使用SiCl4氣體 配合Ar離子轟擊，將SiN的圖樣轉移到GaAs，最後以BOE (Buffered oxide etch) 溶液將殘餘的SiN去除，留下GaAs，結果如圖3-5、圖3-6所示。到此，我 們成功的在GaAs上做出二維光子晶體。
(B) 空橋式鏡面
在長晶結構中，我們在主動區下方覆蓋層中加了一層Al0.9GaAs，由於 Al含量高低會影響B.O.E蝕刻液對其蝕刻速率的選擇比，見圖 3-7[10]，而空 橋式鏡面即是利用此選擇比而產生。其製程前半部全部相同於傳統鏡面製 程，但最後利用B.O.E (buffered oxide etchant) 蝕刻液經由己製作好的光子 晶體孔洞中往下蝕刻Al0.9GaAs，以形成空橋式鏡面。如圖 3-8 所示
Al0.9GaAs
3-2 光子晶體雷射製程
圖3-9 & 3-10分別為元件示意圖與實際元件俯視圖，我們在量子井雷射磊晶 片上分別整合傳統脊狀波導雷射與二種二維光子晶體。
3-2-1 量子井雷射磊晶結構
磊晶片的成長是使用有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD )，磊晶結構如圖 3-11 所示，為量子井雷射，包含了兩個 AlGaAs 覆 蓋 層 (Cladding layer) 以 及 一 個 夾 在 GaAs 隔 離 層 (Spacer layer) 中 的 InGaAs量子井。我們在下覆蓋層中加入了一層Al0.9GaAs，以利空橋式鏡面的製 作。
3-2-2 雷射製程
(A) 傳統鏡面為了使邊射型雷射能與二維光子晶體做有效的整合，我們設計了一套製程。
本製程只使用一道光罩，此道光罩目的在於定義雷射的P 型金屬區域。利用黃光 微影製程定義出P 型金屬區域後，接著使用電子槍蒸鍍系統鍍上 P 型金屬 (Ti 300Ǻ-Pt300Ǻ-Au1500Ǻ)，鍍完金屬後將晶片泡入丙酮中，掀起 P 型金屬區域 外的光阻。至此，我們做出了雷射的P 型金屬接觸條紋以及接下來電子束微影所 需的對準標記。
為了限制電流發散，接下來利用濕式蝕刻來製作脊狀波導，選用的溶液為 H2SO4：H2O2：H2O = 1：8：40，蝕刻速率約為每秒 200Ǻ， 由 於 光 子 晶 體 製 程 的 考 量 ， 蝕 刻 到 距 離 主 動 區 200nm 左 右 ， 並 以 薄 膜 測 厚 儀 確 認 厚 度 是 否 符 合 要 求 。
至 此，開 始 光 子 晶 體 的 製 作。先用PECVD在晶片上沉積一層高溫(300oC) SiN來當作蝕刻阻擋層，接著旋鍍上e-beam專用光阻PMMA。再來便將設計好的 光子晶體圖樣經由電子束微影系統直接寫在光阻上面，藉由對準標記的輔助，我 們可以精確的將圖樣寫在特定區域。完成顯影、定影之後，光子晶體的圖樣變成 功的轉移到光阻上。
利 用 電感耦合電漿乾式蝕刻分 兩 次 轉 移 ， 將 光 阻 的 圖 樣 轉 移 到 雷 射 晶 片 上。第一步，使用CHF3 / O2氣體進行蝕刻，將光阻的圖樣轉移到SiN，
並用丙酮去除光阻留下SiN；第二步，使用SiCl4氣體配合Ar離子轟擊，將SiN 的圖樣轉移到雷射晶片，最後取出晶片用BOE去除殘餘的SiN。到此，我 們成功的在雷射晶片上做出二維光子晶體。
為了讓雷射在劈裂時較為容易，我們將晶片背面磨薄，採用的方法是 濕式蝕刻，溶液為NH4OH：H2O2 = 1：3，蝕刻速率約為每分鐘6um，磨至 晶片厚約120~150um左右，接著再次利用電子槍蒸鍍系統在晶片背面鍍上N 型金屬 (Ni300Ǻ-Ge300Ǻ-Au1500Ǻ)。
為了使金屬與半導體間形成較好的歐姆接面，將晶片放入快速退火(Rapid thermal annealing；RTA )系統中做退火，實驗條件為 420˚C，30 秒，通H /N2 2混和 氣體。至此，元件結構已經完成，利用晶片劈裂機將雷射晶片根據我們希望的長 度切割成雷射條，便可以開始做各種雷射特性的量測了。
製程流程簡圖如圖3-12所示。
(B) 空橋式鏡面
空橋式鏡面的製程大部分相同於傳統式鏡面，藉由增加一個步驟和特別的長 晶結構，將能使上述的傳統鏡面在上下二面都接觸空氣，形成空橋式鏡面，如下 圖︰
Air layer
Air layer
GaAs & AlGaAs 光子晶體
由於本實驗室的電漿耦合電感蝕刻機對於GaAs的蝕刻極限深度約為 0.7~0.8 微 米，且由於BOE(Buffered Oxide Etch)溶液能蝕刻Al含量高的AlGaAs，而對Al低 含量的AlGaAs幾乎不會蝕刻(見圖 3-7 [ 10])，故我們在長晶結構上，在主動區下 方0.2 微米處長一層Al含量 0.9 厚度 200 nm的Al0.9GaAs的覆蓋層(Cladding layer)，如圖 3-11，其中在主動區和高Al含量層之間夾著一層 0.2 微米Al0.3GaAs，
可避免生太多的缺陷在介面上。
當我們完成在製作傳統鏡面前半部到蝕刻完GaAs 後，光子晶體區域部分應 如下面簡圖︰
Al0.9GaAs layer
接著我們對整片晶片上光阻並顯影，只露出光子晶體區域，而P型金屬部分被光 阻保護著，避免在下一步的B.O.E蝕刻中，P型金屬會被蝕刻，然後我們把晶片放 入B.O.E中蝕刻，B.O.E可順著光子晶體的孔洞進入，並蝕刻Al0.9GaAs，形成空 橋式鏡面如下簡圖︰
最後依然將晶背磨薄，且鍍上N 型金屬，並做快速熱退火完成所有步驟。
製程流程簡圖如圖 所示。
3-3 雷射特性量測系統
圖3-14為L-I 特性曲線量測系統，此系統適用於未包裝的邊射型雷射二極 體，我們將雷射二極體置於樣品座上，驅動電流藉電流源經探針注入二極體，二 極體所發的光被光偵測器吸收後，轉換成光電流並傳到訊號平均器
做平均，最後光電訊號經 介面傳到電腦中做資料處理及儲存。而 3-13
(Boxcar
averager) GPIB
圖 3-15為頻譜量測系統。
圖 3-1 PMMA 俯視圖 圖 3-2 PMMA 側視圖
0.322 um
圖 3-3 SiN 俯視圖 圖 3-4 SiN 側視圖
圖 3-5 GaAs 俯視圖 圖 3-6 GaAs 側視圖
~ 0.7 um
~ 0.2 um ~ 0.7 um
~ 0.2 um
圖 3-7 B.O.E對不同Al含量之AlGaAs之蝕刻速率
[10]
圖 3-8 空橋式鏡面側視圖
output light
圖 3-9 元件示意圖
15 um30 um
20 ~ 30 um 600 um
圖 3-10 實際元件俯視圖
圖 3-11 量子井雷射磊晶結構圖
QW layer In0.2Ga0.8Ascladding layer p-doped Al0.3Ga0.7As spacer layer GaAs
spacer layer GaAs
120nm
contact layer p-dopedGaAscladding layer n-doped Al0.3Ga0.7As
Al0.9GaAs BOE etching layer cladding layer n-doped Al0.3Ga0.7As
substrate GaAs
1150nm
200nm 10nm 200nm
750nm
200nm
200nm
(b) P-type metal region definition (a) P/R(AZ6112) coating
(c) P-type metal deposition
(d) P-type metal lift-off
(e) Mesa etc
圖 3-12 光子晶體傳統鏡面雷射製程流程
hing
(f) PECVD Si3N4 deposition
(g) Top view of device after process
(h) P/R(PMMA) coating (j) Thinning of the substrate N-type metal
(h) E-beam lithography (k) Rapid thermal anneal(RTA)
(i) RIE mode — CHF3/ O2 for Si3N4
or GaAs Remove PMMA(ACE)
ICP mode — SiCl4 / Ar f B.O.E Remove Si3N4
圖 3-13 空橋式鏡面光子晶體雷射製程流程
(a) After RIE mode — CHF3/ O2 for Si3N4
Remove PMMA(ACE)
GaAs ICP mode — SiCl4 / Ar for
N B.O.E Remove Si3 4
me (the process before this is the sa as Fig 3-12)
(b) P/R(AZ6112) coating
define photonic crystal region
(j) B.O.E etching Remove P/R
Thinning of the substrate N-type metal
RTA
圖 3-14 L-I 曲線量測系統圖
Laser diode Photo-detector (InGaAs)
Photo current
Light
Voltage source
Computer
GPIB
RS232 data Trigger signal
Current
SRS gated integrator
& Boxcer averager
Vo Curr
ltage signal ent signal
圖 3-15 雷射輸出光譜量測系統圖
Voltage source
voltage light
Laser diode
Fiber
Optical spectrum analysis
(Probe station) Lens
Computer