本論文旨在設計、成長與測量電制吸收光調變器磊晶結構，並探討其量子井的光學特性。我們所設計的磊晶結構分別為：1.5um波段的對稱式、非對稱式TE極化量子井與極化不敏感量子井結構；TE極化量子井結構模擬的部分，當電場的變化由-40kV/cm到-120kV/cm時，其波長紅移量分別為31nm與50nm；極化不敏感多重量子井結構的設計結果部分，則利用Strained Quantum-well 的概念，使得該結構在不同電場下對TE及TM的極化光，有相同的躍遷能量與吸收。
此三種結構均透過本實驗室的分子束磊晶系統成長，並利用標準半導體製程技術製作量測樣本。TE極化的部分：當由吸收係數變化圖觀察外加偏壓由0-1 volt變化到0-6 volt時，對稱式與非對稱式結構的紅移量分別約為16nm與49nm，其e1-hh1的躍遷波長附近只有很小的△n變化，因此該結構的啾譜參數變化量很小；不過此兩種結構的e1-hh1躍遷波長與光電流光譜圖，並沒有落在1.5

The work of this thesis includes designs, molecular beam epitaxy (MBE) growths and optical study of electro-absorption modulator (EAM) structures. Three EAM structures are designed near 1.5 um : symmetric, asymmetric multiple quantum wells (MQWs) of TE polarization, and polarization insensitive MQWs. For symmetric and asymmetric MQWs simulation of TE polarization, their red-shift are 31 nm and 50 nm, respectively, as the electric field decrease from -40 kV/cm to -120 kV/cm. For polarization insensitive MQWs, we use the strained quantum-well concept to achieve same transition energy and absorption.
After growth by MBE system, the samples were fabricated in mesa type by photolithography and wet etching. For symmetric and asymmetric quantum wells of TE polarization：the red-shift are 16 nm and 49 nm, respectively, as the bias decrease form 0-1 volt to 0-6 volt. Because of small △n near subband transition energy, these two samples exhibit small chirp parameter. However, the photoluminescence (PL) and photocurrent spectra of these two ones were not near 1.5 um and obvious absorption edge. The possible reason is that the molecular beam flux have changed during growth. For polarization insensitive MQWs, the PL spectra shows 1494 nm, which only 25.6 nm differ from our design. Also, the photocurrent spectra of TE and TM polarization nearly exhibit same transition energy and have small chirp parameter.

目錄

第一章 簡介 1
第二章 原理 3
2-1 二維量子井 3
2-2 量子侷限史塔克效應 5
2-3 極化不敏感 6
2-4 長波長材料系統 8
第三章 結構設計與模擬 11
3-1 TE 極化多重量子井 11
3-1-1 TE極化簡單量子井結構設計範例 11
3-1-2 TE極化對稱式量子井結構（EAMSYM15QWc） 11
3-1-3 TE極化非對稱式量子井結構 15
3-1-4 TE極化量子井結構設計比較 15
3-2 極化不敏感多重量子井 18
3-2-1 簡單極化不敏感量子井結構設計範例 18
3-2-2 應變平衡的極化不敏感多重量子井 20
3-2-3 補償量子井的設計 23
第四章 實驗步驟 27
4-1 分子束磊晶成長步驟 28
4-2 量測樣本製作 30
4-2-1 TE極化結構樣本製程 30
4-2-2 極化不敏感結構樣本製程 33
第五章 結果與討論 35
5-1 晶格匹配 36
5-2 TE極化量子井結構 38
5-2-1 光激螢光光譜圖分析 38
5-2-2 光電流光譜圖分析 40
5-2-3 啾譜參數分析 42
5-3 極化不敏感量子井結構 47
5-3-1 光激螢光光譜圖分析 47
5-3-2 光電流光譜圖分析 48
5-3-3 啾譜參數分析 50
第六章 結論 53
參考文獻 53
附錄A MBE自動化系統說明 56
附錄B 結構樣本電性量測 60

圖目錄

第二章 原理
圖2-1（a） 量子井結構與導電帶和價電帶能量躍遷圖 4
圖2-1（b） 三維與二維空間的狀態能量度分佈圖 4
圖2-2（a） 無外加電場的能帶圖形與波函數 5
圖2-2（b） 外加電場的能帶圖形與波函數 5
圖2-3 光電流光譜圖 6
圖2-4 應變下的各種次能帶位置關係圖 7
圖2-5 光纖衰減損耗圖 8
圖2-6 化合物半導體能係與晶格常數關係圖 9
第三章 結構設計與模擬
圖3-1 TE極化簡單量子井結構 12
圖3-2 對稱式量子井，電場為（a）-40 kV/cm
（b）-120 kV/cm 時的模擬 13
圖3-3 能隙連續變化的量子井，躍遷對電場的變化圖 16
圖3-4 非對稱量子井結構 16
圖3-5 (a)電場為-40 kV/cm 時，量子井重電洞位能圖
(b)電場為-40 kV/cm 時，量子井輕電洞位能圖 19
圖3-6 (a)電場為-40 kV/cm 時，量子井重電洞位能圖
(b)電場為-40 kV/cm 時，量子井輕電洞位能圖 21
圖3-7 (a)電場為-70 kV/cm 時，量子井重電洞位能圖
(b)電場為-70 kV/cm 時，量子井輕電洞位能圖 22
圖3-8 轉移能量對電場變化的作圖 22
圖3-9 重疊積分平方對電場變化的作圖 23
圖3-10 (a)電場為-40 kV/cm 時，量子井重電洞位能圖
(b)電場為-40 kV/cm 時，量子井輕電洞位能圖 24
圖3-11極化不敏感與補償量子井的躍遷能量比較圖 25
第四章 實驗步驟
圖4-1 光罩示意圖 32
圖4-2 脊狀 p-i-n 結構 33
第五章 結果與討論
圖5-1 （a）InGa(1)As/InP x-ray rocking curve
(b) InGa(2)Al(2)As/InP x-ray rocking curve
(c) InAl(2)As/InP x-ray rocking curve 37
圖5-2 EAMSYM15QWc PL光譜圖 39
圖5-3 EAM15QWc PL光譜圖 40
圖5-4 EAMSYM15QWc 光電流光譜圖 41
圖5-5 EAM15QWc光電流光譜圖 41
圖5-6 EAMSYM15QWc 各種逆偏下的△T/T光譜圖 42
圖5-7 EAMSYM15QWc 各種逆偏下的吸收係數變化量光譜圖 43
圖5-8 EAMSYM15QWc 各種逆偏下的折射係數變化量光譜圖 43
圖5-9 EAMSYM15QWc 各種逆偏下的啾譜參數 44
圖5-10 EAM15QWc 各種逆偏下的△T/T光譜圖 45
圖5-11 EAM15QWc 各種逆偏下的吸收係數變化量光譜圖 45
圖5-12 EAM15QWc 各種逆偏下的折射係數變化量光譜 46
圖5-13 EAM15QWc 各種逆偏下的啾譜參數 46
圖5-14 EAMPI12QWc-m PL光譜圖 48
圖5-15 TE極化與TM極化光電流光譜圖 49
圖5-16 TE極化光電流光譜圖 49
圖5-17 EAMPI12QWc-m 各種逆偏下的△T/T光譜圖 50
圖5-18 EAMPI12QWc-m 各種逆偏下的吸收係數變化量光譜圖 51
圖5-19 EAMPI12QWc-m 各種逆偏下的折射係數變化量光譜 51
圖5-20 EAMPI12QWc-m 各種逆偏下的啾譜參數 52
附錄
圖A-1 、A-2 57
圖B-1 TE 極化對稱式量子井結構C-V與D-V特性曲線圖 59
圖B-2 TE極化對稱式量子井結構I-V特性曲線圖 59
圖B-3 TE 極化非對稱式量子井結構C-V與D-V特性曲線圖 60
圖B-4 TE 極化非對稱式量子井結構I-V特性曲線圖 60
圖B-5 極化不敏感量子井結構C-V與D-V特性曲線圖 61
圖B-6 極化不敏感量子井結構I-V特性曲線圖 61






















表目錄

第二章 原理
表2-1 不同應變程度與能隙的材料表 10
第三章 結構設計與模擬
表3-2 EAMSYM15QWc結構明細表 14
表3-2 EAM15QWc結構明細表 17
表3-3 簡單極化不敏感量子井磊晶層組成表 18
表3-4 補償量子井電子與重電洞的重疊積分平方 25
表3-5 EAMPI12QWc-m結構明細表 26
第五章 結果與討論
表5-1 磊晶溫度表 36
表5-2 TE極化量子井結構厚度誤差表 38
表5-3 TE極化量子井結構PL波長與修正後理論波長 39
表5-4 極化不敏感量子井結構厚度誤差表 47
表5-5 極化不敏感量子井結構PL波長與修正後理論波長 47

[1] John E. Johnson, Leonard J.-P Ketelsen, David A. Ackerman, Liming Zhang, et al., “Fully Stabilized Electroabsorption-Modulated Tunable DBR Laser Transmitter for Long-Haul Optical Communications,” Quantum Electronics, Vol. 7, NO. 2, pp. 168-177, March 2001
[2] M.G. Young, U. Koren, B.I. Miller, M. Chien, T.L. Koch, D.M. Tennant, K. Dreyer and G. Raybon, “Six wavelength laser array with integrated amplifier and modulator,” Electronics Letters, Vol. 31, No. 21, pp. 1835 -1836, Oct. 1995.
[3] K.Tanaka, N.Kotera, H Nakamura, “Quantum confined Stark effects of heavy-hole confined states in In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As multiquantum well structure using photocurrent spectroscopy,” Electronics Letters, Vol. 34, No. 22 , pp. 2163 -2164, Oct. 1998.
[4] Y. Chen, J.E. Zucker, N.J. Sauer, and T.Y. Chang, “Polarization-Independent Strained InGaAs/InGaAlAs Quantum-Well Phase Modulators,” IEEE Technology Photonics Letters, Vol. 4, No. 10, pp. 1120-1123, Oct. 1992.
[5] H.Q. Hou, T.Y. Chang, “Nearly Chirp-Free Electroabsorption Modulation Using InGaAs-InGaAlAs-InAlAs Coupled Quantum Wells,” IEEE Technology Photonics Letters, Vol. 7, No. 2, pp. 167-169, Feb. 1995.
[6] T.S. Lay, H.P. Fan, H.T. Hsu, and T.Y. Chang, “NEARLY CHIRP-FREE ELECTROABSORPTION MODULATION OF AN InGaAsP ASYMMETRIC MULTI-QUANTUM-WELL STRUCTURE,” Indium Phosphide and Related Materials Conference, pp. 269 -271, 2002. IPRM. 14th.
[7] Pallab Bhattacharya, “Semiconductor Optoelectronic Devices,” 2nd. pp.79-82, Prentice Hall, 1997
[8] G. Bastard, E.E. Mendez, L.L. Chang, and L. Esaki, “Variational calculations on a quantum well in an electric field,” Phys. Rev. B, vol. 28, No.6, pp. 3241-3245, 1983.
[9] S. Chelles, R. Ferreira, and P. Voisin, “High performance polarization insensitive electroabsorption modulator based on strained GaInAs-AlInAs multiple quantum wells,” Appl. Phys., Lett. 67, Issue 2, pp. 247-249, July 1995.
[10] Thomas H. Wood, John Z. Pastalan, Charies A. Burrus, Jr., Bart C. Johnson, Barry I. Miller, Jose L.deMiguel, Uziel Koren, and Martin G. Young, “Electric field screening by photogenerated holes in multiple quantum wells: A new mechanism for absorption saturation,” Appl. Phys., Lett. 57, Issue 11, pp. 1081-1083, Sept. 1990.
[11] T. H. wood, T. Y. chang, J. Z. Pastalan, C. A. Burrus, Jun., N. J. Sauer, B. C. Johnson, “INCREASED OPTICAL SATURATION INTENSITIES IN GaInAs MULTIPLE QUANTUM WELLS BY THE USE OF AlGaInAs BARRIERS,” Electronics Letters, Vol. 27, No. 3 , pp. 257 -259, Jan. 1991.
[12] D. S. Shin, W. X. Chen, S. A. Pappert, D. Chow, D. Yap, and P. K. L. Yu, “Analysis of Intra-Step-Barrier Quantum Wells for High-Power Electroabsorption Modulators,” Microwave Photonics, 2001. MWP '01. 2001 International Topical Meeting on, pp. 17 -20, 2002