電制吸收式高速光調變器之電路設計與研製
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(2) 國立中山大學光電工程研究所 碩 士 論 文 指導教授：張道源. 博士. 共同指導教授：賴聰賢. 博士. 朱安國. 博士. 電制吸收式高速光調變器之電路設計與研製 Circuit design and fabrication of high-speed electroabsorption modulators. 研究生：許毓芳 撰. 中華民國九十一年六月.
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(6) 系所代碼：. 光電工程研究所. 論文名稱（中）： 電制吸收式高速光調變器之電路設計與研製 論文名稱（英）： Circuit design and fabrication of high-speed electroabsorption modulators 學位類別：. 碩士. 語文別：. 中文. 學號：. 8935606. 提要開放使用： 頁數：. 是. 62. 研究生姓名（中）： 許毓芳 研究生姓名（英）：. Yu-Fang Hsu. 指導教授姓名（中）：. 張道源. 指導教授姓名（英）：. Tao-Yuan Chang. 關鍵字（中）（1）：電制吸收式調變器 關鍵字（中）（2）：微帶線 關鍵字（英）（1）：Electroabsorption modulators 關鍵字（英）（2）：microstrip line.
(7) 摘要 在我們的元件設計中，做了三種不同型式接線墊板 (pad) 與光調 變器波導之間電信號傳輸線路的比較，第一種是將阻抗值 50Ω的微 帶傳輸線接於阻抗值 24.58Ω的波導中央，第二種是將阻抗值 78Ω的 微帶傳輸線接於波導中央，第三種是將阻抗值 78Ω的微帶傳輸線接 於 波 導 兩 端 。 第 三 種 即 為 行 波 式 光 調 變 器 (Traveling-wave EA modulator) 。由電路模擬計算，將各傳輸線的長度最佳化之後，第三 種行波式光調變器有最佳的頻寬~22.4GHz 與低的電壓反射係數 ~40%。行波式光調變器，不但能夠克服 RC 效應的限制，且能運用 長波導來滿足高速操作的需求，同時增加其消光比 (extinction ratio) 和光飽和功率(optical saturation power)。 在元件的製程上，我們以高分子材料把脊形波導的兩邊平坦化， 將傳輸線的上電極和信號的 pad 鍍在高分子材料之上。另外，用特殊 的斜坡腐蝕法，將接地平板引到與信號的 pad 相同的高度，以利於使 用 coplanar microwave probe 直接在晶片上進行寬頻的測試。. I.
(8) Abtract Three different microstrip transmission-line layouts between the pads and an optical modulator waveguide have been designed and compared for their circuit response. In the first design, two 50Ω input and output microstrip transmission lines are connected to the center of the 24.58Ω semiconductor waveguide.. In the second design, two 78Ω input. and output microstrip transmission lines are connected to the center of waveguide.. The third design represents a traveling-wave EA modulator.. After optimizing the lengths of the transmission lines through our circuit simulation, we find that the traveling-wave optical modulator (the third layout) have the best circuit response of bandwidth ~22.4GHz and voltage reflection coefficient ~40%.. The traveling-wave optical. modulator not only overcomes the RC constant limit but also makes use of long waveguide to satisfied the high-speed requirement.. At the same. time, this circuit increases the extinction ratio and optical saturation power. In the fabrication process, we use polyimide to planarize both sides of the ridge waveguide and evaporate the top electrode on the polyimide. In addition, we use a special wet etching to form sloped edges for rasing ground pads up to the same level of the signal pad.. This will allow us to. use coplanar microwave probes to measure the devices.. II.
(9) 誌 謝 在研究所兩年期間，從基礎研究到最後論文的完成，首先，學生 衷心感謝指導教授張道源博士與共同指導教授賴聰賢博士、朱安國博 士，無論是在專業知識或是待人處事的教導和啟發，均使我受益良 多；其次，學生也要由衷感謝半導體實驗室在實驗上的鼎力協助，使 整個研究實驗可以順利完成。在此，對他們致上我由衷的感謝。而在 實驗研究過程中，一起分享甘苦的實驗室同學，讓我獲益良多，在此 特別感謝郡繡及文達在量測上的幫忙以及建福、沛宸、怡箴、壽志在 製程上的解答疑惑，還有一群可愛的學弟妹們，感謝你們讓我的研究 所生涯更多采多姿，這兩年生活的點點滴滴將永誌在我心。 最後要感謝研究所這兩年來家人的支持與鼓勵與振豪的關心和 支持，才使得筆者充滿無限動力，更能心無旁騖專心的完成學位，在 此謝謝大家，最後僅以此論文獻予我愛及愛我的人。. III.
(10) 目錄 第一章 緒論…………………………………………………………….1 1-1. 前言………………………………………………………..1 1-2. 元件應用…………………………………………………..1 1-3. 特性優點…………………………………………………..3 1-4. 論文架構…………………………………………………..4. 第二章 原理…………………………………………………………….5 2-1. 載子躍遷…………………….…………………………...5 2-2. 量子侷限史塔克效應(QCSE)………………...………..…6 2-3. 光電流光譜………………..……………………………8. 第三章 元件設計與模擬…………………………………………10 3-1. 簡單 RC 電路……………………………………………10 3-2. 傳輸線(Transmission line).………………………………13 3-2-1. 微帶線(Microstrip Line)………………………14 3-2-2. ABCD 矩陣 (ABCD Matrices)………………18 3-3. 電路設計與模擬結果…………………………………23 3-3-1. 50Ω 傳輸線…………………………………...…...24 3-3-2. 78Ω 傳輸線………………………………………..27 3-3-3. 行波式電吸收式調變器(Traveling-wave EAM)...28 3-3-4. 模擬結果總結…..……………………...………...30 3-4. 光罩設計與製作…………………………………..……31. IV.
(11) 第四章 元件製程………………………………………………………33 4-1. 製作流程圖…………………………………………….33 4-2. 製程示意圖……………...……………………………….34 4-3. 光調制器之製程步驟與實驗結果………...…………….37. 第五章 量測……………………………………………………………56. 第六章 結論……………………………………………………………59. 參考文獻………………….…………………………………………….60. V.
(12) 圖目錄 第一章 緒論 圖 1-1 積體化之 DFB 雷射與調變器元件……...…………...…..2. 第二章 原理 圖 2-1 載子躍遷之三種機制……………………………………6 圖 2-2 （a）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈（b）未受 外加電場的能帶圖形與波函數分佈…………………7 圖 2-3 光電流光譜圖……………………………………………8. 第三章 元件設計與模擬 圖 3-1 簡單電路接線圖………………………………………11 圖 3-2 簡單電路頻率響應……………………………………13 圖 3-3 四種不同型態傳輸線之剖面圖………………………14 圖 3-4 (a)微帶線示意圖 (b)電磁場線分佈圖……………….15 圖 3-5 一個線性兩連接埠網路………………………………19 圖 3-6 串接的多埠網路………………………………………20 圖 3-7 均勻之傳輸線…………………..……………………..22 圖 3-8 50Ω微帶傳輸線之電路設計俯視圖………....………24 圖 3-9 50Ω微帶傳輸線電路設計之頻率響應與電壓反射係數 變化………………………………………………..25 圖 3-10 調變器脊狀波導之特性阻抗及其幅角………..……26 圖 3-11 78Ω 微帶傳輸線之電路設計俯視圖………..……….27 VI.
(13) 圖 3-12. 78Ω微帶傳輸線電路設計之頻率響應與電壓反射係 數變化…………………………………………..28. 圖 3-13. 行波式電制吸收元件微帶傳輸線之電路設計俯視 圖…………………………………………..29. 圖 3-14. 行波式調變器電路設計之頻率響應與電壓反射係數 變化………………………………………..………..29. 圖 3-15. 特殊斜坡腐蝕法之光罩設計………………………32. 第四章 元件製程 圖 4-1 MQW 5Na 晶片的實驗剖面圖……………………….41 圖 4-2 MQW 64a 晶片的實驗剖面圖………………………..41 圖 4-3 Tao8nc 晶片的實驗剖面圖……………………...…….42 圖 4-4 HCl：H2O2：H2O 溶液蝕刻出之斜坡剖面圖……..……46 圖 4-5 H3PO4：HCl：H2O2：H2 溶液蝕刻出之斜坡剖面圖….46 圖 4-6 利用掀離技術將金屬剝離……………………………48 圖 4-7 PIX6400 高分子材料之平坦度量測結果…………….49 圖 4-8 PIX6400 高分子材料固化溫度曲線圖……………….50 圖 4-9 50Ω微帶傳輸線元件俯視圖……….…..…………….53 圖 4-10 78Ω微帶傳輸線元件俯視圖……….……………….54 圖 4-11 行波式電制吸收式調變器元件俯視圖….………….54. VII.
(14) 圖 4-12 元件切割下來之俯視圖………………….………….55. 第五章 量測 圖 5-1 光束打入元件側面示意圖………………...………….56 圖 5-2 TE 之光電流光譜圖……...………………...………….57 圖 5-3 TM 之光電流光譜圖……....……..………...………….58. VIII.
(15) 表目錄 第二章 原理 表 2-1 SQW8oc 磊晶層明細表…………………………..……9. 第三章 元件設計與模擬 表 3-1 基本兩連接埠網路之 ABCD 矩陣元素………….……21 表 3-2 設計電路模擬總整理比較表………………..…………30. IX.
(16) 第一章 緒論 1-1. 前言 資訊的急速演進帶動了光纖通訊網路的蓬勃發展，對於信號傳輸 速度的要求不斷的在提高。通訊系統對光電元件的要求也愈來愈複 雜、苛刻，而多重量子井的磊晶材料卻往往能夠滿足這些苛求，加上 現今磊晶技術的精進，例如分子束磊晶 (MBE) 、有機金屬化學氣相 沈積 (MOCVD) …等技術皆可以設計磊晶出相當好的材料，所以其應 用日益廣泛與重要。三、五族半導體的產業也因而步矽晶積體電路之 後，逐漸成為高科技產業中重要的一環。這個產業也根據 S.E. Miller 在西元 1969 年提出的光學積體電路 (Optical Integrated Circuits) 的概 念，開始走向積體量產的方向。. 1-2. 元件應用 電制光吸收調變器 (electro-absorption modulator, EAM) 應用廣 泛，可做高速光源 (high-bit-rate optical source) 之積體化[1]、光閘 (optical gates) [2]、及光學的分時解多工器 (optical time division demultiplexer ) [3]。 對於超過一百公里長距離光纖通訊系統而言，純粹單模而且低啾. 1.
(17) 譜 (chirp) 的光源是必備的條件，EAM 調變器磊晶結構與半導體雷 射磊晶結構相當相像，可製作成積體化雷射調變器元件。如圖 1-1 為 例，將調變器與分佈式迴授雷射 (DFB laser) 製作在一起，既有 DFB 雷射優良的單模特性，又有 EAM 低啾譜的調變功能，是最好的訊號 源。其兩者主動層結構相同，主要差別在於主動層的厚度不同，不同 厚度具有不同的量子侷限效應，EAM 主動層各層厚度小於 DFB 雷射 主動層厚度，即表示 EAM 能隙大於 DFB 雷射，調變器未加偏壓下 其吸收波長小於雷射發光波長，此時調變器便不會吸收雷射輸出光， 但當加一反相偏壓於調變器上後，因在量子侷限史塔克效應影響下， 其吸收峰值波長往長波長方向移動。當吸收波長超過雷射發光波長. HR coating DFB-LD. Fe-doped inP n-InP sub.. EA-Modulator. HR coating InGaAsP guide laser InGaAs/InGaAsP. Grtaing. MQW structure. 圖 1-1. 積體化之 DFB 雷射與調變器元件. 2.
(18) 時，此時便有強的吸收效應產生，此時輸出光呈指數衰減，如式(1-1) 所示[4]：. S ( x) = S i ⋅ e −αx. (1-1). 式(1-1)中， S (x) 為輸出光強度， S i 為入射光強度，α 為吸收係數， x 為 光行進的距離。. 1- 3. 特性優點 電制吸收式調變器的驅動電壓小，具有高調變效率、高速和低啾 譜(chirp)的調變效果。因此，近幾年來，2.5 到 10 Gb/s 的光通訊系 統都普遍採用這種調變器。10 Gb/s 對調變器時間常數的要求是要短 於大約 20 psec，新一代的 40 Gb/s 系統則要求短於大約 5 psec。因 此，如何設計 EAM 以實現極短的總體時間常數是目前一個重要的 課題。 多重量子井電制光吸收調變器最吸引人注意的地方，在於有強的 吸收調變效應。調變器外部加一反向偏壓，會引起量子侷限史塔克效 應(Quantum-confined Stark effect : QCSE)，使吸收邊顯著的往長波長 移動。. 3.
(19) 1-4. 論文架構 本論文共分六章，第一章是緒論，第二章闡述調變器使用原理之 理論基礎與調變器元件之運用，第三章闡明調變器元件設計方法，我 們所設計調變器元件之各種特性模擬之模擬結果與光罩之設計，第四 章詳述調變器元件之製程步驟與實驗結果，第五章為元件之量測結 果，最後則為第六章結論。. 4.
(20) 第二章 原理 在實驗中，「調制」是一個相當普遍的機制，利用光或電來作為 調變的來源，於是有電制吸收式高速光調變器(EAM)與 Mach-Zehnder 光調變器 (Optical Modulators) 兩種調變機制，本實驗主要針對於電 制吸收式調變器作為研究主題。EAM 是一個 p-i-n 二極體的結構，主 要是利用量子侷限史塔克效應(QCSE)，當對元件加一反向偏壓能帶 會產生變化，而進行調制。我們利用光電流頻譜圖，來測定元件內部 吸收光譜的變化，並且對其一簡單電路及如何達到高速元件電路之特 性作一系列的模擬與分析，下面幾個章節將詳加說明。. 2-1. 載子躍遷 半導體照光後，光子的能量被半導體中的電子所吸收，並使得電 子由價帶被激發至導電帶，電子的躍遷必須遵守能量守恆 (Conservation of energy)定律，除了能量守恆之外亦要遵守動量守恆 (Conservation of momentum)定律，因此只有光子的能量大於能隙的能 量時，才有吸收光子的現象以產生電子電洞對，當光子能量 hν等於 能隙能量 Eg 時，如 2-1(a)圖所示。當 hν大於 Eg 時，多餘的能量會以 熱的方式由聲子(Phonon)散逸掉，如 2-1(a)圖所示。當 hν小於 Eg 時， 只有能隙中間出現物理缺陷或雜質時造成其它能態時，光子才會被吸 5.
(21) hν. 圖 2-1 載子躍遷之三種機制 (a) hν > Eg (b) hν = Eg (c) hν < Eg. 收，如 2-1(c)圖所示。(a)和(b)兩種轉換過程稱為本質躍遷 (intrinsic transitions) ，(c)轉換稱為外質躍遷 (extrinsic transition) [5]。. 2-2. 量子侷限史塔克效應 (QCSE) 電制吸收式調變器 (Electroabsorption Modulators) 主要便是利用 量子侷限史塔克效應的機制，來加以選擇其對應之吸收波長。半導體 量子井的能帶圖形會隨著外加電場的增加而相對的傾斜，就如圖 2-2 所示，當外加電場增大時，其導電帶波函數與價電帶波函數也會相對 外加電場強度而錯開，因而減少電子、電洞對的吸收與再結合之機率，. 6.
(22) F=0. F. L. 圖 2-2 （a）未受外加電場的能帶圖形與波函數分 佈（b）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈. 能隙 Eg 亦會隨之變小，而史塔克效應其隨外加偏壓增大而波長往長 波長方向移動，此一般又稱之為『紅移』 （red shift）現象，其能量變 化量如式(2-1)[6]所示：. ∆E ∝ (m* ⋅ e 2 ⋅ F 2 ⋅ L4 ). (2-1). 式子(2-1)中， m* 為有效質量、 e 為電子電量、 F 為外加電場、L 為量子井 寬度。. 7.
(23) 2-3. 光電流光譜 光電流光譜圖便是利用量子侷限史塔克效應，由 p、n 接面將因 入射光被吸收而產生的光電子與光電洞傳導出元件外，再經由外部電 路連接量測而得其感應電流值的大小，圖 2-3 便是利用此效應所量得 的光電流光譜圖，其晶片乃是由張道源老師所提供，磊晶組成明細表 如表 2-1，由圖 2-3 中的實驗結果看出，當偏壓加大時，波長會往長 波長方向移動，映證 2-2 節談及之紅移現象，且在不同偏壓下有不同 的吸收增加量，以 1.55µm 為例，在零偏壓時吸收變化小，而隨著電 壓的加大吸收變化隨之增大。. SQW8oc 1.5. -5V -4V -3V -2V -1V 0V. 1.4 1.3 1.2 1.1. Photocurrent. 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 1300. 1350. 1400. 1450. 1500. 1550. Wavelength(nm). 圖 2-3 光電流光譜圖 8. 1600. 1650. 1700.
(24) 表 2-1 SQW8oc 磊晶層明細表. 19x. No.. Composition. Doping. 0. InP substrate. S. 1. Al0.19Ga0.28In0.53As. Si. 384. 2. Al0.35In0.65As. Si. 32. 3. Al0.37Ga0.22In0.41As. Si. 34. 4. Al0.48In0.52As. Si. 1350. 5. Al0.48In0.52As. 200. 6. Al0.37Ga0.22In0.41As. 34. 7. Al0.35In0.65As. 32. 8. Al0.19Ga0.28In0.53As. 48. 9. Al0.35In0.65As. 26.7. 10. Al0.19Ga0.28In0.53As. 35.4. 11. Ga0.58In0.42As. 28. 12. Ga0.47In0.53As. 18. 13. Al0.163Ga0.392In0.445As. 9. 14. Ga0.47In0.53As. 44. 15. Al0.35In0.65As. 45.6. 16. Al0.163Ga0.392In0.445As. 73.3. 17. Al0.35In0.65As. 32. 18. Al0.37Ga0.22In0.41As. 34. 19. Al0.48In0.52As. 300. 20. Al0.48In0.52As. Be. 1000. 21. Al0.48In0.52As. Be. 3000. 22. Al0.48In0.52As. Be. 15000. 23. Al0.48In0.52As. Be. 500. 24. Al0.37Ga0.22In0.41As. Be. 34. 25. Al0.35In0.65As. Be. 65. 26. Al0.19Ga0.28In0.53As. Be. 66. 27. Ga0.58In0.42As. Be. 35. 28. Ga0.47In0.53As. Be. 300. 29. Al0.48In0.52As. Be. 1200. 30. Ga0.47In0.53As. Be. 3300. 31. Al0.48In0.52As. Be. 1200. 32. Al0.19Ga0.28In0.53As. Be. 3300. 9. Thickness(Å).
(25) 第三章. 元件設計與模擬. 3-1. 簡單 RC 電路 光訊號進入調變器被吸收，光電子與光電洞隨即產生，把這些電 子、電洞掃出電制吸收調變器的空乏區所需的時間決定了 EAM 反應速 度的物理上限，載子的平均速度受到空乏區內部構造以及電場強度的 影 響 ， 若 以 300nm 厚 的 空 乏 區 為 例 ， 如 果 載 子 的 平 均 速 度 是 3x106cm/sec，則掃出的時間常數是 10psec。再依然以 d = 300nm 厚的 空乏區為例，且脊狀波導寬 0.002mm、長 0.4mm、介電常數為 13.3， 則 EAM 本身的電容值如(3-1)式子所示，求得電容值為 0.362pF，. ε ε A Cm = 0 r d. (3-1). 在我們的設計中，外加入兩個電容值為 0.1429pF 的微波探針用墊板 (pad)，此時總電容值為 Ctotal = 0.6478pF，訊號源有一 R1 = 50Ω之電 阻，負載電阻 R2 = 50Ω 之電阻，一個簡單電路如圖 3-1 所示：. 10.
(26) Ω Ω. 圖 3-1 簡單電路接線圖. 調變器的總電容值影響驅動電路的 RC (Resistance-capacitance) 時間 常數. τ = RCtotal. (3-2). 以此一簡單電路而言，其式(3-2)中的等效電阻 R 如式(3-3)所示，. R=. 1 1 1 ( + ) R1 R2. 11. (3-3).
(27) 如果終端沒有負載電阻，則時間常數加倍，即. τ = R1．Ctotal. (3-4). 若不外加墊板，此時 RCm = 9.05 psec。由此得知，即使不加墊板的情 況下時間常數達 9.05psec，所以若要時間常數在 5psec 以下的半導體 光調變器設計，將是一個重大挑戰。此簡單電路頻率響應如式(3-5) 所示，. 1 j ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ Ctotal RC Response = 1 R+ j ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ Ctotal. (3-5). 頻率響應與頻率關係作圖，同時將墊板移除時的頻率響應放在一起做 比較，如圖 3-2 所示：. 12.
(28) 1. 10. 100. 1.2. 1.2. RC no pads RC with pads. 1.1 1.0. 1.1 1.0. normalized V-L integral. 0.9. 0.9. 17.78GHz. 0.8. 0.8. 10GHz. 0.7. 0.7. 0.6. 0.6. 0.5. 0.5. 0.4. 0.4. 0.3. 0.3. 0.2. 0.2. 0.1. 0.1. 0.0. 0.0 1. 10. 100. GHz. 圖 3-2 簡單電路頻率響應圖. 由圖 3-2 得知，移除墊板會減少電容值而降低 RC 效應，使得頻寬由 10GHz 提高到 17.78GHz，不論如何，一般電路而言 RC 效應決定了 頻寬，為了能夠高速調制，克服 RC 效應，於是我們作了傳輸線的設 計，並對其電路加以模擬。. 3-2. 傳輸線 (Transmission line) 在 1965 年以前，微波設備不外乎是利用同軸、波導或平行板的 方式，近幾年來才有微波積體電路 (MMIC : monolithic microwave integrated circuits) 的探討。傳輸線有相當多種型式，圖 3-3 所示的是. 13.
(29) (b) Wire-over-ground. (a) Coaxial line. 圖 3-3 四種不同傳輸線之剖面圖 (d) Microstrip line. (c) Strip line. 圖 3-3 四種不同型態傳輸線之剖面圖. 四種不同形態傳輸線的比較[7]，我們所設計的是傳輸線就如圖 3-3(d) 所指，圖 3-3(d)傳輸線的型式稱為微帶線(microstrip line)，現在將此 種傳輸線個別做詳細說明與分析。. 3-2-1. 微帶線 (Microstrip Line) 我們的高頻電路主要便是利用微帶線原理做一系列的設計與模 擬分析，圖 3-4[8]為較詳細之微帶線示意圖，微帶線亦稱為開路帶線 (Open-strip line)，圖 3-4(a)中基板厚度為 h，基板介電常數為 ε r ，上 端電極厚度為 t、寬度為 w，圖 3-4(b)為微帶線電磁場線分佈圖。. 14.
(30) Ground plane (a) Schematic diagram. (b) Field lines. 圖 3-4 (a)微帶線示意圖 (b)電磁場線分佈圖. 微帶線中存在射散損耗的問題，尤其在不連續面或彎角處，然而 若是使用薄且高介電值材料便可以降低射散損耗，微帶線的數值分析 相當複雜，於是可以使用保角轉換 (conformal transformations) 法取 代複雜的數值分析。特性阻抗的計算，在這裡因為 EAM 截面積遠小 於 40GHz 波長，所以微帶線中可以採取準橫向電磁波 (quasi-TEM) 模式做計算，由圖 3-4(a)中可知，微帶線的特性阻抗和基板厚度為 h、 基板介電常數為 ε r ，上端電極厚度為 t、寬度為 w 有關[9]。在 t h 為 零 的 條 件 下 特 性 阻 抗 Z 0 和 有 效 介 電 常 數 ε eff 的 近 似 公 式 由 Hammerstad 於 1975 年所提出，之後於 1977 年由 Bahl 和 Garg 提出 在有限的上端電極厚度下的特性阻抗和有效介電常數，其近似運用式 子如下所示[10]， 15.
(31) 特性阻抗：. Z0 =. 60. ε reff. 8 W + 0.25 ⋅ e , ln h We h. W ≤1 h. (3-6). 120 ⋅ π We We 1 . 393 0 . 677 ln 1 . 444 + + ⋅ + Z0 = ε reff h h . −1. ,. W ≥1 h. (3-7). 其中. We W 1.25 t 4πW = + ⋅ 1 + ln , h h π h t . W 1 ≤ h 2π. We W 1.25 t 2h = + ⋅ 1 + ln , h h π h t . (3-8). W 1 ≥ h 2π. (3-9). 有效介電常數：. ε reff. −1 2 2 ε r + 1 ε r − 1 12 W 1 + + 0.041 − − C , = + 2 2 W h h . W ≤1 h (3-10). ε reff. ε + 1 ε r − 1 12 1 + = r + 2 2 W h . −1 2. −C ,. 16. W ≥1 h. (3-11).
(32) 其中. C=. εr −1 t h ⋅ 4.6 W h. (3-12). 以上並未考慮損耗 (loss) 之情況，現將損耗加入一併討論。考慮損 耗性傳輸線時衰減常數 (attenuation constant) α 不再為零，衰減常數 與相位常數表示式如下所示，. 衰減常數：. 1+. α =1+. 1−. 1.25 ⋅ t 1.25 4πW + ⋅ ln π ⋅W π t , We h. t h + 1.25 ⋅ ln 2 t π π h , We h. W 1 ≤ h 2π. (3-13). 1.25. α =1+. 1 W ≥ h 2π. (3-14). 相位常數：. 2. W 32 − e 1.38 ⋅ Rm h ⋅α , β= ⋅ 2 20 ⋅ log(e ) ⋅ h ⋅ t ⋅ Z 0 W 32 + e h 17. 1 W ≤ h 2π. (3-15).
(33) 6.1 ⋅ 10 −15 Rm ⋅ Z 0 ⋅ ε reff β= ⋅ 20 ⋅ log(e ) h⋅t. W We 0.667 ⋅ e h ⋅ + ⋅α , W h e + 1.44 h . W 1 ≥ h 2π (3-16). 其中 Rm 為每平方單位金屬的表面電阻。. 傳輸線之複數傳播常數 (complex propagation constant). γ=. 2πf ⋅ ε reff 300. − jβ. (3-18). 由以上之式子便能計算出損耗傳輸線之特性阻抗. Z 0loss =. R + jωL. γ. =. 2πf ⋅ ε reff 300. − jβ. (3-19). 由式子(3-19)便能繪出特性阻抗與頻率關係圖。. 3-2-2. ABCD 矩陣 (ABCD Matrices) 線性系統中矩陣陣列應用非常廣泛，線性系統源起於對於經濟 學、社會學、生態學、人口統計學、遺傳學、電子工程與物理學等方 面之運用，若有 n 個未知數與 m 個線性系統，如式(3-13)所示，便可 利用矩陣將多個線性系統連結在一起[11]，. 18.
(34) a11 x1 + a12 x2 + L + a1n xn = b1 a21 x1 + a22 x2 + L + a2 n xn = b2. (3-13). M am1 x1 + am 2 x2 + L + amn xn = bm. 其中 amn 與 bm 是實數， xn 是變數。 電路運用上，ABCD 矩陣主要是與輸入埠和輸出埠有關，輸入電 壓電流( V1 , I1 )與輸出電壓電流( V2 , I 2 )成一個線性關係，先以一線性兩 連接埠網路(linear two-port network)為例，輸出入電流與電壓關係式如 (3-14)式與圖 3-5 所示， V1 = AV2 + BI 2. (3-14). I1 = CV2 + DI 2. + I1 V1. Zo. A linear two-port. + Zo. Port1 (input). I2 V2. Port (output). 圖 3-5 一個線性兩連接埠網路. (3-13)式可以寫成矩陣的形式，如(3-15)式所示，. V1 A B V2 = I1 C D I 2 19. (3-15).
(35) ABCD 矩陣可應用在多個串並接的線性網路系統上，多埠網路系統之 架構圖與 ABCD 矩陣表示式如圖 3-6 與(3-16)式所示，. V1 A B Vx = I1 C D I x . (3-16). 其中. A B A1 C D = C 1. B1 A2 × D1 C2. ….. I1. + V1. -. B2 Ax ×L× D2 C x. A1,B1, C1,D1,. + ….. Bx Dx . (3-17). Ix Ax,Bx, Cx,Dx,. -. + Vx. -. 圖 3-6 串接的多埠網路. 在多個串並接的線性網路系統上的總矩陣即是將每個單元元素之基 本矩陣相乘而得之，ABCD 矩陣基本元素表如表 3-1 所示[12]。. 20.
(36) 表 3-1 基本兩連接埠網路之 ABCD 矩陣元素 Description. Port1. Series Element. port2. C. D. 1. Z. 0. 1. 1. 0. Y. 1. nt=N1/N2. 0. 0. 1/nt. sin βl Z 0k. cos βl. sinh γl Z 0k. cosh γl. Z. Ideal Transformer N1. Lossy Transmission Line. B. Z. Shunt Element. Lossless Transformer Line. A. N2 l Z 0k , β. α =0 l Z 0k ,α , β γ = α + jβ. cos βl. jZ 0k sin βl Z 0k sinh γl. cosh γl. j. 一個均勻傳輸線的 ABCD 矩陣在微波電路中有一些重要的敘 述，在均勻傳輸線中如圖 3-7，圖中 z 為變數，傳輸線的起點 z = 0 處 之電壓電流分別為 V (0) 與 I (0) ，則我們利用 ABCD 矩陣便能求得傳 輸線末端 z = l 處之電壓電流，其電壓電流如(3-18)式與(3-19)式所示，. V (l ) = V (0) cosh γl + I (0) Z 0 sinh γl. I (l ) = I (0) cosh γl +. (3-18). V (0) sinh γl Z0. (3-19). 21.
(37) z=0. z =l. γ = α + jβ 圖 3-7 均勻之傳輸線. 我們由(3-16)式與 3-6 圖來看，. 輸出阻抗為. Z out =. Vx Ix. (3-20). 輸入阻抗為. Z in =. V1 I1. (3-21). 且由(3-16)、(3-20)與(3-21)式我們可以得知輸入阻抗亦相等於下列式 子，. Z in =. V1 AVx + BI x AZ out + B = = I1 CV x + DI x CZ out + D. 22. (3-22).
(38) 其輸入端的電壓反射係數[13]為：. ρ=. Z in − Z 0ut Z in + Z 0ut. (3-23). 我們由(3-17)式求得 A、B、C、D 值，將 A、B、C、D 值代入(3-22) 式便能求得輸入阻抗 Z in 值，再將 Z in 代入 3-23 式便能求得 ρ 電壓反 射係數。. 3-3. 電路設計與模擬結果 我們的元件設計主要包含接線墊板 (pad)、調變器脊狀波導、接 線墊板與調變器波導之間電信號傳輸線路 (feeder line) 、輸入訊號源 和 50Ω終端電阻，做了三種不同型式接線墊板與調變器波導之間電 信號傳輸線路的比較，模擬乃是使用張道源老師所撰寫的一套完整之 程式，亦可使用數值分析軟體計算。傳輸線的特性阻抗可由 3-2-1 節 的公式算出，至於調變器脊狀波導之特性阻抗計算方法特殊，也由張 道源老師一併撰寫入模擬程式中。以下之幾小節中將描述我們所設計 的高頻電路的頻率響應與電壓反射係數之頻譜圖。 我們可將接線墊板 (pad)、調變器脊狀波導、接線墊板與調變器 波導之間電信號傳輸線路 (feeder line) 、輸入訊號源和 50Ω終端電阻 這些單元傳輸線視為一個個兩連接阜網路，皆視為表 3-1 中的 Lossy 23.
(39) Transmission Line 兩連接阜網路，利用多阜網路系統求出其 ABCD 矩. 陣，找出我們所設計之三種不同高頻電路三者之個別的 A、B、C、D 值，再利用 3-22 與 3-23 式便能繪出電壓反射係數與頻率之關係圖。. 3-3-1. 50Ω傳輸線 第一種電路，我們利用 3-2-1 節的特性阻抗公式以 polyimide 為介 質( ε r = 3.75)，設計特性阻抗 50Ω 之微帶傳輸線，元件電路設計俯視 圖如 3-8 所示，圖中的 S 指的是訊號墊板，G 指的是接地墊板，如此 設計乃是因為我們的探針是三點式 Ground-Signal-Ground (GSG) 高 頻探針，且前面墊板連接一高頻訊號源，後面墊板接上一個負載電阻 (load resister) 50Ω行阻抗匹配，傳輸線接於脊狀波導中間，輸入的傳 輸線長 0.198mm，輸出傳輸線長 0.248mm，模擬結果如圖 3-9 所示。. G. G. S. S. G. G. 圖 3-8 50Ω微帶傳輸線之電路設計俯視圖 24.
(40) 1. 10. 100. 1.2. 1.2 Response with no load resister Response VRC. 1.1 1.0. normalized V-L integral. 0.9. 1.1 1.0 0.9. 9.3GHz. 0.8. 0.8. 0.7. 0.7. 0.6. 0.6. 4GHz. 0.5. 0.5. 0.4. 0.4. 0.3. 0.3. 0.2. 0.2. 0.1. 0.1. 0.0. 0.0 1. 10. 100. GHz. 圖 3-9 50Ω微帶傳輸線電路設計之頻率響應與電壓反射係數變化. 光訊號在調變器中為單向傳輸，但調變器中的電壓會向前傳播亦 會因阻抗不匹配而向後傳播，因此調變器中每一個位置所看到的電壓 皆不同，所有模擬結果的縱軸是將每一個位置電壓乘上該位置調變器 差分長度做積分，且以低頻做正規化 (normalized) 成為參考值，圖 3-9 中虛線是指不加負載電阻時的頻率響應，在 3dB 處頻頻為 4GHz， 實線是指有加負載電阻之頻率響應，在 3dB 處頻頻為 9.3GHz，點線 指的是電壓反射係數 (VRC : voltage reflection coefficient)，由模擬結 果得知，因為在未加負載電阻的情形下電壓會完全反射，所以其頻寬 只有 4GHz 這樣小，加上負載電阻之後特性阻抗匹配頻寬提高至 9.3GHz，頻率響應模擬圖中在高頻約 50GHz 有波峰出現，此波峰乃 25.
(41) 1. 10. 100. 40. 40. ohms. 35. 35. 30. 30. 25. 25. 20. 20. 24.58Ω. 15. 15. 10. 10. 5. 5. 0. 0. -5. -5. -10. Degrees. |Zmod| Degrees. -10 1. 10. 100. GHz. 圖 3-10 調變器脊狀波導之特性阻抗及其幅角. 是由於三個位於不同地點的不同電容值的電壓反射係數而產生的共 振峰。由此種 50Ω傳輸線設計來看，頻寬可達 9.3GHz，但電壓反射 係數很大，在 3dB 處電壓反射係數高達 50~60%，這是因為具有半導 體 p-i-n 構造的調變器的高頻特性阻抗只有 24.58Ω，模擬結果如圖 3-10 所示，圖 3-10 中實線是指特性阻抗，虛線是指幅角。 輸入訊號源阻抗是 50Ω，負載電阻也是與其匹配的 50Ω，但是 電壓傳到墊板及脊狀波導時遇到不匹配的電容，使電路電壓反射係數 偏高且頻寬也只到 9.3GHz，為了調整電路的高頻反應並降低電壓反 射係數，於是將輸出輸入傳輸線的長短做一調整，並提高傳輸線阻抗。. 26.
(42) 3-3-2. 78Ω傳輸線 第二種電路設計，我們將微帶傳輸線的特性阻抗提高至 78Ω， 且調整傳輸線的長度找到最佳的頻率響應時的反應長度，此時輸入的 傳輸線長 1.142mm，輸出傳輸線長 1.718mm，傳輸線依然接在調變器 脊狀波導的中央，同樣的，我們在電路後部加上負載電阻 50Ω，前 部加一訊號源，電路俯視圖如圖 3-11 所示，頻率響應模擬結果如圖 3-12 所示，圖 3-12 中實線是頻率響應圖，在 3dB 處頻寬為 22.1GHz， 虛線是指電壓反射係數，提高傳輸線長度與阻抗後，頻寬提高至 22.1GHz，電壓反射係數亦比第一種電路設計明顯改良，電壓反射係 數降在 3dB 處至 50%以下。. G. G. S. S. G. G. 圖 3-11 78Ω 微帶傳輸線之電路設計俯視圖. 27.
(43) 1. 10. 100. 1.2. 1.2 response VRC. normalized V-L integral. 1.1. 1.1. 1.0. 1.0. 0.9. 0.9. 0.8. 0.8. 0.7. 0.7. 0.6. 0.6. 22.1GHz. 0.5. 0.5. 0.4. 0.4. 0.3. 0.3. 0.2. 0.2. 0.1. 0.1. 0.0. 0.0 1. 10. 100. GHz. 圖 3-12 78Ω微帶傳輸線電路設計之頻率響應與電壓反射係數變化. 3-3-3.行波式電制吸收式調變器(Traveling-wave EAM) 第三種電路設計，我們將微帶傳輸線的特性阻抗亦提高至 78Ω， 傳輸線改接在調變器脊狀波導的兩端，此時調變器亦成為傳輸線的一 部份，光與電同向行進，此種電路設計稱為行波式電吸收式調變器 (Traveling-wave EAM)，這種電路設計更能改善頻寬與電壓反射係 數，電路俯視圖如圖 3-13 所示，調整傳輸線的長度找到最佳的頻率 響應時的反應長度，此時輸入的傳輸線長 1.071mm，輸出傳輸線長 1.785mm，模擬結果如圖 3-14 所示，. 28.
(44) G. G. S. S. G. G. 圖 3-13 行波式電制吸收元件微帶傳輸線之電路設計俯視圖. 1.2. response VRC. 1.1 1.0. normalized V-L integral. 0.9 0.8 0.7. 22.4GHz. 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 1. 10. 100. GHz. 圖 3-14 行波式調變器電路設計之頻率響應與電壓反射係數變化. 29.
(45) 圖 3-14 中實線是頻率響應圖，在 3dB 處頻寬為 22.4GHz，虛線是指 電壓反射係數，此電路設計更能提高頻寬，並且在 3dB 處電壓反射 係數降至 40%左右。. 3-3-4. 模擬結果總結 將以上的模擬結果匯整於表 3-2 中，我們的調變器脊狀波導寬 2µm 長 400µm，脊狀波導的高頻特性阻抗為 24.58Ω，我們設計三種 電路：第一種電路傳輸線為 50Ω總長 450µm，頻率響應 9.3GHz；第 二種電路傳輸線為 78Ω總長 2.854mm，頻率響應 22.1GHz；第三種 電路傳輸線為 78Ω總長 2.856mm，頻率響應 22.4GHz，由於脊狀波 導不是很長，所以第三種行波式電吸收調變器的優點不是很顯著。 表 3-2 設計電路模擬總整理比較表 Width of Length of Length of Characteristic the ridge the ridge the impedance of waveguide waveguide transmission thetransmis line(total) line. Impedence. Characteristic impedance of the ridge waveguide. 50Ω transmission line 78Ω. 2µm. 400µm. 450µm. 50Ω. 24.58Ω. 9.3GHz. transmission line. 2µm. 400µm. 2.854mm. 78Ω. 24.58Ω. 22.1GHz. 2µm. 400µm. 2.856mm. 78Ω. 24.58Ω. 22.4GHz. Travelingwave EAM. 30.
(46) 3-4. 光罩設計與製作 我們利用前幾章節之模擬結果設計出一套總共 5 道的光罩 (Mask) 來完成元件之製作。第一道光罩希望能利用濕式蝕刻 (wet etching) 製作出 2µm 的垂直脊狀波導，於是我們設計四種不同寬度分 別為 7.6µm、8µm、8.4µm 與 8.8µm，長 420µm 之矩形圖案(pattern)， 將微影(Micro-lithography)後產生的光阻圖案轉印至光阻下的材質 上，再藉由濕式蝕刻，比較不同寬度之矩形設計哪一個能有較好之垂 直脊狀波導，並且將接地墊板也一併設計於其中。第二道光罩要製作 特殊斜坡，使能成功地鍍金，將 n-type InP 接地訊號引到接地墊板上， 於是我們將接地墊板露出兩邊如圖 3-15 所示，虛線內為露出之部分， 可使得蝕刻溶液滲入，利用濕式蝕刻蝕刻出特殊斜邊，以利順利鍍上 接地電極。第三道光罩乃作接地電極鍍金掀離之用。第四道光罩，我 們在 2µm 寬的脊狀波導開一個寬 1.6µm 長 380µm 的窗口，只露出脊 狀波導上之此窗口與墊板的部份，其於部分蓋滿光阻，利用乾式蝕刻 蝕刻掉脊狀波導與墊板上之高分子材料，直至露出脊狀波導為止。最 後一道即鍍上上電極金屬之用。. 31.
(47) 圖 3-15 特殊斜坡腐蝕法之光罩設計. 32.
(48) 第四章 元件製程 在此章節中，我們將介紹電制吸收式高速光調變器製作方法、步 驟與製程實驗結果。. 4-1. 製作流程圖. 製程開始. 蝕刻出 脊狀波導. 蝕刻出 特殊斜坡. 鍍上接 地電極. 塗舖 高分子材料. 鍍上訊號 傳輸電極. 製程結束. 33.
(49) 4-2. 製程示意圖 1. 蝕刻出一個脊狀波導. 2. 蝕刻出特殊斜坡. Etching. Etching. PR Epi layer. Ground. Ground. InP. InP. 去 PR. 去 PR. PR Epi layer. PR Ground pad. PR Epi layer. ridge. Ground pad. Epi layer. InP. InP. 2µm Ground pad. ridge. Ground pad. Epi layer. Epi layer InP. InP. 34.
(50) 3. 鍍接地電極. 4. 塗舖高分子材料 Polyimide. Evaporate Au. Polyimide. InP substrate. 去 PR Polyimide Au. 5.利用反應式離子蝕刻(RIE : Reactive ion etching) 露出脊狀波導及接 地墊板(Ground Pad) 去 Polyimide. 35.
(51) 6.鍍上訊號電極. Evaporate Au. Ground Pad. Electrode. Ground Pad. 含接地墊板之剖面圖. Signal Pad. Electrode. Signal Pad. 含訊號墊板之剖面圖. 36.
(52) 4-3. 光調制器之製程步驟與實驗結果 一、 蝕刻出 2µm 的脊狀波導. 做此項實驗時乃是用三種不同厚度的磷化銦磊晶片做實驗，此三 種晶片為 MQW 5Na、MQW 64a 與 Tao8nc，晶片是由張道源老師於 美 國 貝 爾 實 驗 室 利 用 MBE 所 成 長 之 晶 片 ， 其 磊 晶 層 分 別 為 約 1.78µm、2µm 和 2.6µm，實驗中發現，因厚度的不同蝕刻條件並不相 同，蝕刻結果亦不同，蝕刻條件與蝕刻結果將由以下詳加敘述與討論。. A.製程步驟. (1)清洗晶片 a.將晶片放入二甲苯中，使用超音波震盪器中振洗 15 秒 b.以異丙醇清洗晶片 c.以丙酮清洗晶片 d.再以異丙醇清洗晶片 e.已去離子水(DI)清洗晶片 f.使用高壓空氣將晶片吹乾 g.將晶片放入烤箱中烤乾水氣，烘烤條件為 90℃10 分鐘. 37.
(53) (2)塗佈光阻 a.利用旋轉塗佈機舖上 AZ1500 光阻 轉速：4000 轉 30 秒 光阻厚度：~1.2µm b.放入 90℃烤箱中軟烤 20 分鐘. (3)定義光阻圖案 a.用光罩對準機以光罩定義阻擋區對舖好光阻的晶片曝光，之 後以顯影液 (AZ Developer) 顯影製作出定義形狀的光阻層 a-1 曝光時間：20 秒 a-2 顯影液比例：AZ Developer：H2O = 1：2 顯影時間：約 25 秒 b.光學顯微鏡檢查. (4)增強光阻硬烤 放入 90℃烤箱中硬烤 20 分鐘. (5)反應式離子蝕刻 (RIE) 清潔晶片表面殘留光阻 蝕刻反應條件：80 瓦 30 秒 蝕刻速率：23Å/sec. 38.
(54) (6)半導體蝕刻 (a)晶片一：MQW 5Na 利用濕式蝕刻蝕刻出脊狀波導結構 a. 溶液 A：H3PO4：H2O2：H2O = 1：2：37，蝕刻出約 4.5µm 寬度的脊狀波導，室溫下蝕刻速率 ~0.21µm/min，蝕刻時間約 10 分鐘 b. 溶液 B：H3PO4：H2O2：H2O = 1：2：17，蝕刻出最 後所需約 2µm 寬度的脊狀波導，室溫下蝕 刻速率~0.5µm/min，蝕刻時間約 2 分鐘 30 秒. (b)晶片二：MQW 64a 利用濕式蝕刻蝕刻出脊狀波導結構 a. 溶液 A：蝕刻出約 4.5µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時 間 8 分鐘 30 秒 b.溶液 B：蝕刻出約 2µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時間 2 分鐘 30 秒. (c) 晶片三：Tao8nc 利用濕式蝕刻蝕刻出脊狀波導結構. 39.
(55) a.溶液 A：蝕刻出約 5µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時間 7 分鐘 b.溶液 B：蝕刻出約 4µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時間 40 秒 c.溶液 A：蝕刻出約 3.5µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時間 分鐘 d.溶液 B：蝕刻出約 3µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時間 30 分鐘 e.溶液 A：蝕刻出約 2µm 寬度的脊狀波導，蝕刻時間 1 分鐘. (7)去除光阻. B.實驗結果. 此道實驗主要是利用不同比例的溶液 A 與溶液 B 交替使用，先 利用溶液 A 將脊狀波導蝕刻至 4.5 ~ 5µm，在利用較高濃度之溶液 B 蝕刻脊狀波導至約 2µm 並同時修正脊狀波導的形狀使成垂直矩形。 圖 4-1 中為第一種厚度 1.78µm 之 MQW 5Na 晶片的實驗剖面圖，圖 4-1 是由顯微鏡中所拍攝下來的，圖中尺度一小格指 1µm，於是我們 成功的利用此種厚度磊晶層之晶片實驗出一個極近垂直的 2µm 之脊 40.
(56) 狀波導。第二種晶片磊晶層厚度較第一種晶片高一些，於是我們做出 來之脊狀波導便不是垂直，其橫剖面如圖 4-2 所示，圖 4-2 中圈圈部 份還蠻垂直的，但下邊卻擴散開來，第三種 Tao8nc 晶片具更厚之磊 晶層，於是決定改變蝕刻順序，來改善脊狀波導下半部擴開的情形。. 5µm. 圖 4-1 MQW 5Na 晶片的實驗剖面圖. 上半部呈 垂直形狀. 5µm. 圖 4-2 MQW 64a 晶片的實驗剖面圖 41.
(57) 5µm. 圖 4-3 Tao8nc 晶片的實驗剖面圖. 第三種 Tao8nc 晶片脊狀波導剖面圖如圖 4-3 所示，由於知道若 厚度高於第一種晶片，則蝕刻垂直脊狀波導條件會與以改變，於是蝕 刻方式如 Tao8nc 晶片中半導體蝕刻所示，由圖 4-3 中看出對於厚的 磊晶層我們也可以做出不太完美但垂直的脊狀波導。在後面的製程實 驗上我們採用 MQW64a 晶片繼續作元件，因 MQW5Nb 晶片太過於 小片，不適於繼續做元件，而 Tao8nc 實際上原本之厚度為 3.5µm， 但由於晶片上多長了四層總厚度 9000Å 的材料，此四層材料分別為 同表 2-1 中的 29~32 層結構，此四層分別要以檸檬酸[14]與鹽酸[15] 將此四層以選擇蝕刻的方式將此四層去除，但由於表面有缺陷的存 在，所以鹽酸在蝕刻時會滲透下去，蝕刻後表面會有許多的缺陷，對 於我們的元件製作上並不適用。. 42.
(58) 二、利用特殊斜坡腐蝕法蝕刻出斜坡. A. 製程步驟. (1) 清洗晶片 (2) 塗佈光阻 a.塗舖第一層光阻，利用旋轉塗佈機舖上 AZ1500 光阻 轉速：4000 轉 30 秒 b.放入 90℃烤箱中軟烤 3 分鐘 c.將晶片泡在松節油 (Turpentine) 中 10 分鐘 d.將晶片泡在去離子水中 2 分鐘 e.以高壓空氣將晶片吹乾 f.放入 90℃烤箱中烤 2 分鐘 g.塗舖第二層光阻，利用旋轉塗佈機舖上 AZ1500 光阻 轉速：4000 轉 30 秒 h.放入 90℃烤箱中軟烤 3 分鐘. (3) 定義光阻圖案. a.用光罩對準機以光罩定義阻擋區對舖好光阻的晶片曝光，之 後以顯影液 (AZ Developer) 顯影製作出定義形狀的光阻層. 43.
(59) a-1 曝光時間：25 秒 a-2 顯影液比例：AZ Developer：H2O = 1：2 顯影時間：45 秒 b.光學顯微鏡檢查. (4)增強光阻硬烤 放入 90℃烤箱中硬烤 4 分鐘. (5)反應式離子蝕刻 (RIE) 清潔晶片表面殘留光阻 蝕刻反應條件：80 瓦 30 秒 蝕刻速率：23Å/sec. (6)半導體蝕刻 利用濕式蝕刻蝕刻出特殊斜坡 a. 溶液 C：H3PO4：HCl：H2O2：H2O = 1：1：1：37 蝕刻時間：35 分鐘. (7)去除光阻 利用丙酮將光阻洗去. 44.
(60) B. 實驗結果. 此道實驗塗舖兩層光阻是因為實驗中發現若只塗舖一層光阻 時，光阻抵擋不住時間長達 35 分鐘如此長的蝕刻時間，導致第一道 蝕刻出來的脊狀波導受到嚴重的侵蝕，甚至消失，於是我們塗舖兩層 光阻，增加光組之厚度來改善，塗舖完第一層光阻後隨即泡入松節油 中是為了避免第一層光阻與第二層光阻互溶，導致表面不平坦而影響 到曝光微影實驗，經由塗舖兩層光阻後，改善了脊狀波導被侵蝕的情 況。 特殊斜坡腐蝕法實做上是將光阻軟、硬烤的時間減短至 3 與 4 分 鐘，使得光阻與晶片表面接著的不是很緊密，於是在濕式蝕刻時利於 蝕刻溶液穿透至光阻與晶片接面，使得光阻慢慢被掀起，使其能產生 斜坡之墊板，蝕刻溶液中的 HCl 有類似緩衝劑的作用利於滲入光阻 與晶片接面，剛開始時我們是利用 HCl：H2O2：H2O 配方的溶液去做 腐蝕的實驗，發現側蝕的效果很好，即光阻有被明顯的掀起，但下蝕 較為緩慢，於是導至有階梯的形成，剖面圖如圖 4-4 所示，於是我們 改善溶液之配方，於配方加入 H3PO4 的成份，發現加入此酸後下蝕速 度加快，階梯的部分消失了，且調整溶液比例後方能達到我們所需之 斜坡，於是最終使用 H3PO4：HCl：H2O2：H2O = 1：1：1：37 的溶 液配方，此蝕刻剖面圖如圖 4-5 所示， 我們使用此溶液配方成功的 45.
(61) 腐蝕出特殊之接地斜坡。. 階梯形. 圖 4-4 HCl：H2O2：H2O 溶液蝕刻出之斜波剖面圖. 20µm. 圖 4-5 H3PO4：HCl：H2O2：H2O 溶液蝕刻出之斜波剖面圖. 46.
(62) 三、 鍍接地電極. (1)清洗晶片 (2)塗佈光阻 a.利用旋轉塗佈機舖上 S1813 光阻 轉速：4000 轉 30 秒 光阻厚度：~1.2µm b.放入 90℃烤箱中軟烤 15 分鐘. (3)定義光阻圖案 a.曝光時間：30 秒 b.將曝光後之晶片泡在松節油 (Turpentine) 中 10 分鐘 c.將晶片泡在去離子水中 2 分鐘 d.以高壓空氣將晶片吹乾 e.放入 90℃烤箱中烤 2 分鐘 f.顯影液比例：Shipley Microposit Developer：H2O = 2.5：1 顯影時間：54 秒 (4)利用熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍上 50 Å 的鉻(Cr)再鍍上 金(Au)於晶片上，金的厚度為 1500Å，做為接地電極，再利用掀 離(Lift off) 技術將金屬剝離，掀離技術如圖 4-6 所示。. 47.
(63) 金屬 光阻 晶片. 晶片. 圖 4-6 利用掀離技術將金屬剝離. 四、平坦化 (Planarization) 製程. 在此非常感謝日立化成亞太股份有限公司提供給我們型號 PIX6400 的高分子材料。我們將在含有約 2µm 高的脊狀波導晶片上 塗舖高分子材料 (Polyimide)，使其平坦化，經由我們的實驗顯示， 型號 PIX6400 之高分子材料能成功的塗舖於金上，並且具高平坦性， 不過由於此型號之高分子材料塗舖烤後的厚度對於我們的元件設計 而言較薄，約只有 1.4µm，於是我們利用塗舖兩次來達到我們所需之 高分子材料之厚度。利用表面測厚儀量測型號 PIX6400 高分子材料之 平坦度量測結果如圖 4-7 所示，由圖中知道，當我們的脊狀波導高度 為 2µm 時，高分子材料 Polyimide PIX6400 塗舖出來才高出 141.4nm，. 48.
(64) 160. 141.4. Polyimide Profile. 140 120. Height (nm). 100 80 60 40 20 0 -20 0. 20000. 40000. 60000. 80000. 100000. Scan length (nm). 圖 4-7 PIX6400 高分子材料之平坦度量測結果. 所以由此得知型號 PIX6400 之材料塗舖出來的效果平坦度極佳。 塗舖步驟如下：. (1) 以轉速 3000rpm，時間為 30 秒，將高分子材料塗舖於晶片上 (2) 將塗舖好之晶片放於加熱平板上 (3) 塗舖兩次. 49.
(65) 固化條件如圖 4-8 所示. 350. 300. 0. Temperature C) (. 250. 200. 150. 100. 50. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. Curing time (min). 圖 4-8 PIX6400 高分子材料固化溫度曲線圖. 五、露出脊狀波導. (1)清洗晶片 (2)塗佈光阻 a.利用旋轉塗佈機舖上 AZ1500 光阻 轉速：4000 轉 30 秒 光阻厚度：~1.2µm b.放入 90℃烤箱中軟烤 20 分鐘. 50. 180. 200.
(66) (3)定義光阻圖案 (4)增強光阻硬烤 a.放入 90℃烤箱中硬烤 20 分鐘 b.放入 120℃烤箱中軟烤 2 分鐘. (5)反應式離子蝕刻 (RIE) 使用氧氣電漿 (oxygen plasma) 蝕刻高分子材料，直至脊狀 波導露出為止。 蝕刻反應條件：200 瓦 蝕刻時間：9 分 30 秒 蝕刻速率：約 2700Å/sec. (6)露出脊狀波導. 六、鍍上電極. (1)清洗晶片 (2)塗佈光阻 a.利用旋轉塗佈機舖上 S1813 光阻 轉速：4000 轉 30 秒 光阻厚度：~1.2µm. 51.
(67) b.放入 90℃烤箱中軟烤 15 分鐘. (3)定義光阻圖案 a.曝光時間：30 秒 b.將曝光後之晶片泡在松節油(Turpentine)中 10 分鐘 c.將晶片泡在去離子水中 2 分鐘 d.以高壓空氣將晶片吹乾 e.放入 90℃烤箱中烤 2 分鐘 f.顯影液比例：AZ Developer：H2O = 1：2 顯影時間：54 秒. (4)利用熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍上 50 Å 的鉻(Cr)再 鍍上金(Au)於晶片上，金的厚度為 1500Å，做為上電極，再 利用掀離(Lift off) 技術將金屬剝離. 52.
(68) 七、元件完成. 我們元件之完成之俯視圖如圖 4-9、圖 4-10 與圖 4-11 所示，這 些實驗結果俯視圖乃是利用數位照相機所拍攝，圖 4-9 為 50Ω微帶傳 輸線元件俯視圖，圖 4-10 為 78Ω微帶傳輸線元件俯視圖，圖 4-11 為行波式電制吸收式調變器元件俯視圖。圖 4-12 為元件切割下來的 俯視圖，此圖為一個行波式調變器元件。. Ground Pad. Ridge waveguide. Signal Pad. Ground Pad. Signal Pad 50Ωmicrostrip transmission-line. Ground Pad. Ground Pad. 圖 4-9 50Ω微帶傳輸線元件俯視圖. 53.
(69) Ridge waveguide. 78Ωmicrostrip transmission-line. Ground Pad. Ground Pad. `. Signal Pad. Signal Pad. Ground Pad. Ground Pad. 圖 4-10 78Ω微帶傳輸線元件俯視圖 78Ωmicrostrip Ridge waveguide transmission-line. Ground Pad. Ground Pad. Signal Pad. Signal Pad. Ground Pad. Ground Pad. 圖 4-11 行波式電制吸收式調變器元件俯視圖. 54.
(70) 圖 4-12 元件切割下來之俯視圖. 55.
(71) 第五章 量測 我們將切割好之元件，作了初步的光電流量測，判定最後一道 上電極之傳輸線設計是否成功的蒸鍍於高分子材料與脊狀波導之 上，並且判定元件是否能動作。我們利用實驗室所架設之光電流量 測系統，將系統的負極接於元件 n-type 接地墊板上，即如圖 3-8 中 之 G 墊板，將系統之正極接於 p-type 之上電極上，即如圖 3-8 中 之 S 墊板，將光束由元件測面打入元件之磊晶層量子井的部分，示 意圖如圖 5-1 所示，. 入射光束 QW. 圖 5-1 光束打入元件側面示意圖. 56.
(72) 量測時利用偏光鏡將入射光平行量子井磊晶層方向打入或垂直量子 井磊晶層方向打入，若是入射光是平行量子井磊晶層打入的話，此時 電場垂直磊晶層方向，則我們將量得的為 TE 之光電流光譜圖，反之， 若是入射光是垂直量子井磊晶層打入的話，此時電場平行磊晶層方 向，則我們將量得的為 TM 之光電流光譜圖，我們所量得的 TE 之光 電流光譜圖如圖 5-2 所示，我們所量得的 TM 之光電流光譜圖如圖 5-3 所示，我們的量測結果圖可稍微看出加大偏壓波常有往常波長方向移 動。. 2.0. 0V -1V -2V -3V -4V -5V. 1.8 1.6. Photocurrent. 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1400. 1450. 1500. Wavelength (nm). 圖 5-2. TE 之光電流光譜圖. 57. 1550. 1600.
(73) 1.0. 0V -1V -2V -3V -4V -5V. 0.9 0.8. Photocurrent. 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 1400. 1450. 1500. Wavelength (nm). 圖 5-3. TM 之光電流光譜圖. 58. 1550. 1600.
(74) 第六章 結論 對於三種不同電制吸收式高速光調變器之元件模擬我們已經 模擬完成，50Ω微帶傳輸線模擬結果為 9.3GHz，78Ω微帶傳輸線 模擬結果為 22.1GHz，而行波式電制吸收式調變器模擬結果為 22.4GHz。 元件製程上，利用濕式蝕刻方法蝕刻出垂直的脊狀波導我們已 經能大致的找到如何蝕刻垂直的方法，在特殊斜坡的製程方面，我 們已經成功的利用特殊斜坡腐蝕法蝕刻出特殊斜坡，並且成功的將 高分子材料塗舖於黃金之上，且此高分子材料塗舖於具脊狀波導的 晶片上有很好之平坦性，我們已成功的利用乾式蝕刻露出脊狀波 導，最後我們已鍍上上電極完成我們五道光罩設計之元件製程。並 且初步測量出元件之光電流光譜圖，但在元件之量測上並未能量得 元件之頻率響應，實抱遺珠之憾。. 59.
(75) 參考文獻 [1] H. Takeuchi, K. Tsuzuki, K. Sato, M. Yamamoto, Y. Itaya, A. Sano, M.Yoneyama, and T. Otsuji “NRZ Operation at 40 Gb/s of a compact Module Containing an MQW Electroabsorption Modulator Integrated with a DFB laser,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.9, No.5, pp.572-574, 1997.. [2] K. Wakita, K. Yoshino, I. Kotaka, and Y. Noguchi “High Speed, high efficiency modulator module with polarization insensitivity and very low chirp,” Electronics Letters, Vol.31, No.23, pp.2041-2042, 1995.. [3] M. Suzuki, H. Tanaka, N. Edagawa, and Y. Matsushima “New Application of a Sinusoidally Driven InGaAsP Electrobsorption Modulator to In-Line Optical Gate with ASE Noise Reduction Effect,” Journal of Lightwave Technology, Vol.10, No.12, pp.1912-1918, 1992. [4] Pallab Bhattacharya, “Semiconductor Optoelectronic Devices,” 2nd ed. pp. 149-150, Prentice Hall, 1997. [5] Pallab Bhattacharya, “Semiconductor Optoelectronic Devices,” 2nd ed. pp. 114-133, Prentice Hall, 1997.. [6] G. Bastard, E. E. Mendez, L. L. Chang, and L. Esaki“Variational calculations on a quantum well in an electric field,” Physical Review B, Vol.28, No.6, pp.3214-3245, 1983.. 60.
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(78)
數據
![圖 2-2 （a）未受外加電場的能帶圖形與波函數分 佈（b）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈 能隙 E g 亦會隨之變小，而史塔克效應其隨外加偏壓增大而波長往長 波長方向移動，此一般又稱之為『紅移』 （red shift）現象，其能量變 化量如式(2-1)[6]所示： )(m*e2F2L4E ∝ ⋅ ⋅ ⋅∆ (2-1) 式子(2-1)中， m * 為有效質量、 e 為電子電量、 F 為外加電場、L 為量子井 寬度。 F=0 FL](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8768055.210671/22.892.199.742.128.433/增大而波長往波長方向移動此一般又稱紅移如式為電子為量子井FL.webp)
+7
![圖 3-3 四種不同傳輸線之剖面圖 圖 3-3 四種不同型態傳輸線之剖面圖 四種不同形態傳輸線的比較[7]，我們所設計的是傳輸線就如圖 3-3(d) 所指，圖 3-3(d)傳輸線的型式稱為微帶線(microstrip line)，現在將此 種傳輸線個別做詳細說明與分析。 3-2-1](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8768055.210671/29.892.199.728.131.515/四種不四種不四種不們所設計輸線所指圖傳輸線輸線個別做詳細說.webp)
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