本論文主旨在利用電子束微影(E-Beam Lithography)技術於分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE)成長的樣品上製作微碟-環耦合結構雷射元件，來分析其耦合效應。樣品中主動層下方的材料，由傳統的犧牲層置換成布拉格反射鏡(DBR)，主動層材料InGaAs量子點發光波段(1200nm)設計落在DBR窗口位置(1171nm~1253nm)內，當波長落在窗口內，在DBR層會有強反射發生，利用DBR此種全反射特性來更有效地將能量侷限在共振腔內部。
　　理論上，我們設計直徑為3微米的微碟型共振腔(microdisk)，於其外在加上一個環型共振腔，來形成耦合共振腔結構。其中，兩個共振腔的間隙為100奈米，環型共振腔的尺寸則設計為250奈米。接著，我們使用有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)去模擬其此結構是否可以產生耦合模態。由於直接計算三維的結構，花費的時間太過於冗長。於是，我們代入等效折射率的概念，將三維結構等效成二維結構下去計算。如此，可以大幅的縮短計算的時間。經過模擬計算，此結構確實會產生耦合模態。
實驗上，用AutoCAD畫出我們所設計的圖形，並且將其轉檔成電子束微影系統所認可的格式。同時，我們也修改圖形的尺寸來彌補電子束微影技術所造成的誤差。接著，以電子束微影配合適當的曝光條件定義出我們設計的圖形後，使用熱蒸鍍機蒸鍍金屬，將金屬掀離後，形成蝕刻遮罩，配合乾蝕刻技術將圖形轉移到底下的介電質層及磊晶層，完成我們要的元件。
　　量測上，我們使用微光激螢光(micro-PL)來進行量測。成功量測到八個共振模態，其中有三個共振模態是因為此結構所產生的耦合模態，分別為1173.8nm、1206nm以及1214nm，與模擬結果十分的吻合。未來可望利用此結構來產生兆赫波光源。

In this thesis, we used the E-Beam lithography to fabricate a device of coupled microdisk-ring laser on the sample which was grown by molecular beam epitaxy (MBE), and analyzed the coupled effect of the device. The active layer was composed of six compressively strained InGaAs quantum dots (QDs) that were designed to support gain at 1200nm. Under the active layer, we replaced sacrificial layer by distributed bragg reflector (DBR). The purpose of the DBR was used like a mirror to reflect the particular wavelength which located at DBR’s stop band, so the energy would be confined in the active layer.
The device was composed of a microdisk and a ring. The diameter of the microdisk was 3μm, and the width of the ring is 250nm. The microdisk was placed in the ring, and the gap of both was 100nm. After design, we simulated whether the device could generate coupled modes by Finite-Difference Time-Domain (FDTD). In experiment, we used the E-Beam lithography to define negative pattern on the sample which is spread with the PMMA. We also used the thermal evaporation to evaporate the metal, and lift the metal to form our pattern. Finally, we used the dry etching to transform the pattern to the epitaxial layer, and then the device was completed.
In measurement, we used the micro-PL to measure our device, and got a successful result. The result showed our device generated eight resonant modes. The measured result matched the simulation result. Through simulation, the device generated three coupled modes, 1173.8nm, 1206nm, and 1214nm. We expect that the device will be used to generate terahertz source in the future.

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英文論文審定書••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••ii
誌謝•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• iii
中文摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• iv
英文摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••v
第一章 緒論
1-1　前言•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1-2　電子束微影簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••2
1-3　量子點雷射••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
1-4　兆赫波簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
1-5　論文架構•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
第二章 數值分析
2-1　有限時域差分法(FDTD) ••••••••••••••••••••••••6
2-2　完美匹配層吸收邊界條件(PML) •••••••••••• 11
2-3　品質因子計算方法••••••••••••••••••••••••••••••14
第三章 元件設計與模擬
3-1　磊晶片結構與特性••••••••••••••••••••••••••••••16
3-2　蝕刻深度模擬••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
3-3　微碟-環雷射元件設計••••••••••••••••••••••••••21
3-4　模態耦合原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
第四章 元件製程
4-1　微碟-環耦合共振腔製程示意圖••••••••••••••30
4-2　製程步驟與實驗結果•••••••••••••••••••••••••••31
第五章 量測結果
5-1　量測系統簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
5-2　量測數據分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
5-3　量測與模擬之比較••••••••••••••••••••••••••••••40
第六章 結論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 48
參考文獻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49
附錄A••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••50
附錄B••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••51

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