DBR 製作與討論

在最一開始 DBR 的製作流程中，並不是以氮化矽當 ICP 的硬遮罩，原先是考 慮使用閎康科技股份有限公司的 FIB 直接在元件表面上蝕刻出 DBR 的鏡面，先使 用尚未做過製程的空片來測試 FIB 蝕刻是否能達到預期之深度。最初使用簡單的 數個長方形圖案來測試 FIB 蝕刻的深度，先以機台預設的蝕刻深度 2 ㎛與 4 ㎛做 測試，測試結果如下圖所表示，圖 4.17為蝕刻條件 2 ㎛的斜視圖(Tilt View)，

在蝕刻深度 2 ㎛的條件下所得到的實際蝕刻深度約為 1.3 ㎛，但其深度與理想深 度(約 2.5~3 ㎛)相比還是明顯的不足，而且在底部的寬度有略為變窄。圖 4.18 為蝕刻條件 4 ㎛的斜視圖，在此條件下所得到的實際蝕刻深度約為 2.7 ㎛，但從 圖中可以很明顯的看出鏡面底部的寬度已經變的非常窄了，除此之外，在鏡面頂 端也因為蝕刻時間過久，使得鏡面上半部因側蝕太過嚴重而變的非常粗糙。之後 再使用 Lm5204 三層量子井雷射結構做蝕刻深度測試，使用機台預設之 3 ㎛蝕刻 條件，並在邊緣畫上能夠更容易由斜視圖觀測蝕刻深度與寬度的圖案，蝕刻結果 如圖 4.19所示，此條件下的蝕刻的實際深度約為 2.1 ㎛，從圖中可以看出鏡面 頂端的寬度約為 320nm，但是蝕刻到底部時，因 FIB 能量無法同時集中於上方與 下方，導致底部的能量不夠集中，造成底部空氣間隙變的非常窄(小於 200nm)，

從鏡面頂部 320nm 與底部寬度 1.04nm 以及蝕刻深度 2.1 ㎛中可以計算出鏡面的 斜角約為 80°，由 M.Ariga 所模擬的角度與反射率關係圖(圖 4.20[16])中可以看 出，發光波長為 1.55 ㎛的三階 DBR 在鏡面角為 85°時的反射率就已經降到與劈 裂鏡面的 32%差不多了，雖然與我們使用的發光波長不太一樣，但是鏡面角差異 卻更為的大，因此認為使用 FIB 蝕刻 DBR 鏡面的可行性不太高。

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圖 4.17 FIB 蝕刻 2 ㎛深度測試 圖 4.18 FIB 蝕刻 4 ㎛深度測試

圖 4.19 FIB 蝕刻 Lm5204 深度 3 ㎛測試 圖 4.20 DBR 反射率與角度關係

在認為使用 FIB 蝕刻 DBR 鏡面的方法不太可行之後，我們將製作方式改成用 300nm 的氮化矽當硬遮罩，使用 FIB 在氮化矽上蝕刻出 DBR 圖樣之後，接著使用 交通大學奈米科技中心的 ICP-RIE 以氮化矽當硬遮罩並蝕刻出 DBR 鏡面，在一開 始先以傳統的三階 DBR 條件在 Lm4982 單層量子井結構晶片上做測試，滿足三階 布拉格條件時的寬度分別為半導體鏡面 210nm 與空氣間隙 735nm，以寬度總合為 945nm 的條件下，改變空氣間隙的蝕刻寬度，但是即使將空氣間隙縮小，氮化矽

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上的 DBR 圖案仍會因側蝕過多而變的非常窄，如圖 4.21所示，以此種條件的氮 化矽作為硬遮罩，使用 ICP 蝕刻 DBR 鏡面，蝕刻結果如圖 4.22所示，側蝕太過 嚴重的氮化矽遮罩無法承受住 ICP 的蝕刻，使得 DBR 鏡面全部倒塌。要解決此問 題的方法有 2 種，一種是增加硬遮罩的厚度，另一種為加厚 DBR 鏡面的寬度，在 此，我們考慮到增加遮罩厚度的同時也會增加 FIB 的蝕刻時間，因而再增加側蝕 的影響，因此我們先考慮以加厚鏡面寬度的製作方式。

圖 4.21 FIB 蝕刻 SiN 斜視圖 圖 4.22 三階 DBR 條件之鏡面結果

考慮加厚鏡面寬度以後，在 Lm4982 單層量子井結構晶片上，我們將個別的 寬度調整為半導體鏡面 500nm 以及空氣間隙 800nm，以寬度總合 1300nm 為條件，

調整鏡面與空氣間隙之寬度做測試，在此條件中製作出兩組合適的 DBR 條件，此 兩組分別命名為 B 與 C，圖 4.23與24分別為兩者在氮化矽上的斜視圖，從圖中 可以看出當鏡面寬度增厚時，氮化矽的側面形狀為緩和的拱形，再將其圖形與寬 度未加厚的圖 2.21相比較，寬度未加厚時的氮化矽形狀比較接近尖銳的梯形，

將氮化矽的圖案轉移到 GaAs 上的 SEM 圖分別為圖 4.25與26，我們可以觀察到 鏡面寬度越厚時，DBR 倒塌的問題也隨著被改善。

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圖 4.23 B-SiN Pattern 圖 4.24 C-SiN Pattern

圖 4.25 B-DBR 製作結果 圖 4.26 C-DBR 製作結果

以加厚鏡面寬度的方式，確定 800nm 空氣間隙的 DBR 蝕刻後不會倒塌以後，

我們使用做完製程的 Rn640 晶片來測試 FIB 條件，為了減少繞射損耗，我們同時 嘗試將空氣間隙縮小到 350nm 左右，但即使將寬度縮到 300nm 左右，如圖 4.27 所示，但圖形轉換後仍然會因為 FIB 的側蝕而使得 DBR 的寬度增加到 450nm 左右，

如圖 4.28所示，若再進一步的縮小寬度，不但會因 FIB 能量不足而導致蝕刻深 度不足，以至於無法將底部的氮化矽不容易完全蝕刻掉，也會因為寬度太窄而導 致蝕刻完的寬度不穩定，圖 4.29與30分別為寬度設定為 200nm 與 250nm 條件下

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FIB 蝕刻出來的寬度，從圖中的結果可以觀察出以 250nm 條件下蝕刻出來的寬度 反而比 200nm 條件所蝕刻出來的寬度還要寬，考慮到製程的穩定性，最後還是選 擇製作三階寬度的 DBR。

圖 4.27 窄寬度之 FIB 蝕刻結果 圖 4.28 窄寬度條件圖形轉換結果

圖 4.29 200nm 條件之蝕刻結果 圖 4.30 250nm 條件之蝕刻結果

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