本論文主旨為藉由電子束微影技術製做批覆金屬之量子點微米柱共振腔元件， 並分析共振腔元件的光學及電性特性。我們使用分子束磊晶機台以S-K模式成長3層砷化銦鎵(In0.75Ga0.25As)量子點結構於砷化鎵基板上做為製程樣品磊晶結構。量子點間隔層厚度為40nm，並於間隔層中加入2奈米的P型調變摻雜，而其披覆層材料為Al0.5Ga0.5As。
我們設計直徑為2 m，深度約為1.5 m的微米柱共振腔，並於微結構表面鍍上p型金屬以及樣品背面鍍上n型金屬，形成元件結構－批覆金屬之量子點微米柱共振腔。批覆金屬之主要目的是金屬本身可以提供良好的反射率，可使更多的光能量留在共振腔中，並藉由金屬做為電極而形成電激發光的雷射元件。
在實驗上，首先以AutoCAD定義元件樣貌及尺寸大小。接著，以電子束微影技術配合適當的曝光條件定義出設計的圖形後，使用熱蒸鍍機蒸鍍金屬，並將多餘金屬掀離使定義區形成乾蝕刻之遮罩，再配合乾蝕刻技術將圖形轉移到介電質層及磊晶層；最後，使用PECVD蒸鍍SiO2介電質膜，目的為防止漏電流產生，並且鍍上正、負電極，即完成批覆金屬之量子點微米柱共振腔元件。量測上，我們使用顯微光激螢光操作在室溫下來進行量測，量測對象為尚未批覆金屬的微米柱共振腔，由結果得知製成微米柱共振腔的半高寬明顯的變窄，透過計算得到Q值為100，比起未做微結構的樣品要提升5倍，而發光位置落在波長為1282nm。由EL量測批覆金屬之量子點微米柱共振腔，得到1149nm、1221nm及1291nm三個訊號，其結果經過分析後可以發現，此共振腔可以有效的提升整體的發光強度。光學及電性實驗量測結果均和COMSOL模擬結果互相吻合。

In this thesis, we fabricate the quantum dots (QDs) micro-pillar of metal-coated by E-beam lithography, and analyze the optical and electrical properties of micro-pillar cavity devices. For the sample materials, we use S-K mode to grow 3-layer In0.75Ga0.25As QDs structures sandwiched by up and down Al0.5Ga0.5As cladding layer on GaAs substrate by molecular-beam epitaxy (MBE). 40nm GaAs spacer layers with 2nm p-modulation doping in the central barrier are adopted in this study.
The micro-pillar with diameter of 2 m, metal coated on top (p-type) and down (n-type) facet are designed. The good reflectivities of metal contacts provide more energy extraction inside the cavity. We expect the device lasing while the current injection.
First, we design the morphology and size of patterns by AutoCAD software. Then, we use e-beam lithography with proper exposure condition to define the patterns, and thermal evaporation to deposit metals. The superfluous metal is lifted off and the defined area metal is served as dry etching mask to transfer the pattern to the dielectric layer and epi-layer. Finally, we use SiO2 layer to prevent current leakage, and the p-n contact on each facet to complete the devices. Micro-pillar samples with/without metal coated are analyzed by micro-PL system. The emission wavelength of 1282nm and the calculated Q-value of 100 are obtained for the sample with metal coated, an increase of 500%. From the EL measurement results, the device of micro-pillar samples with metal coated generate three peaks, 1149nm, 1221nm and 1291nm. Besides, it can efficiently improve the emission intensities. The measured result matched the simulation result.

目錄
中文論文審定書 …………………………………………..i
英文論文審定書 ………………………………………….ii
誌謝 .......………………………………….………………iii
中文摘要 …………………………………....…………….v
英文摘要 ........……………………………………………vi

第一章 緒論 …………………………………………….1
1-1 前言 ..………………………………………………...1
1-2 量子點雷射 ..………………………………………...2
1-3 金屬包覆共振腔 ..…………………………………...5
1-4 研究動機 ..…………………………………………...5
1-5 論文架構 ..…………………………………………...5

第二章 實驗理論 ....…………………………………….6
2-1 電子束微影技術 ....………………………………….6
2-2 反應式離子蝕刻技術 ..……………………………...8
2-3 感應耦合電漿反應式離子蝕刻技術 .……………..10
2-4 PECVD製程原理 ..…………………………………11
2-5 熱金屬蒸鍍 .....……………………………………..13

第三章 樣品介紹及製程步驟 .......…………………...14
3-1 磊晶片結構與特性 ............………………………..14
3-2 批覆金屬之量子點奈米柱共振腔製程示意圖 …..17
3-3 製程步驟 ................………………………………..22

第四章 量測方法與結....……………………………..33
4-1 顯微光激螢光量測系統 ...………………………..33
4-2 電激螢光量測系統 ...............……………………..35
4-3 顯微光激光光譜量測與分析 ...…………………..37
4-4 Q值計算 ........……………………………………..39
4-5 電激螢光量測光譜與分析 ..........….……………..40
4-6 量測與模擬結果之比較 .....…………..…………..45

第五章 結論 .…………………………………………49

参考文獻 .....……………………………………………50

圖次
圖1-3.1 半導體雷射主動層演進 ...................................3
圖1-3.2 雷射結構能態密度分布圖 ...............................4
圖2-1.1 電子束微影系統示意圖 .............……………..7
圖2-1.2 電子束微影結合SEM系統 ...…………………7
圖2-2.1 (a)溼式蝕刻輪廓(b)乾式蝕刻輪廓 ………….8
圖2-2.2 反應式離子蝕刻系統示意圖 .………………..9
圖2-2.3 本實驗之反應式離子蝕刻設備 .……………..9
圖2-3.1 感應耦合電漿蝕刻設備結構示意圖 …...…..10
圖2-4.1 電漿輔助化學氣相沉積設備結構示意圖 .....12
圖2-4.2 電漿輔助化學氣相沉積設備 .………………12
圖2-5.1 熱蒸鍍機結構示意圖 .....................................13
圖3-1.1 C308磊晶結構示意圖 .....…………………..15
圖3-1.2 C308光激螢光(PL)光譜圖 ....……………...15
圖3-1.3 C308電激螢光(EL)光譜圖 ........…………...16
圖3-3.1 電子束曝光顯影之OM圖 …………………...23
圖3-3.2 經ACE 掀離前之OM圖 ..……………………24
圖3-3.3 經ACE 掀離後之OM圖 ..……………………24
圖3-3.4 經RIE蝕刻後的SEM之俯視圖 .…………….25
圖3-3.5 經RIE蝕刻後的SEM之側視圖 .........……….26
圖3-3.6 經ICP蝕刻半導體之SEM之俯視圖 .……….27
圖3-3.7 經ICP蝕刻半導體之SEM之側視圖 .……….27
圖3-3.8 經HF水溶液將SiO2蝕刻遮罩移除之SEM側視圖 …………………..............................................................28
圖3-3.9 成長完介電質膜之SEM側視圖 .......……….29
圖3-3.10 開完窗口之SEM之側視圖………………….30
圖3-3.11 蒸鍍P-type金屬之SEM側視圖 …………….31
圖3-3.12 背面預留窗口示意圖 (a)樣品正面(b)樣品背面 ………………….....................................................……32
圖4-1.1 顯微光激螢光量測系統架構示意圖 .……...34
圖4-2.1 電激螢光量測系統架構示意圖 .…………...36
圖4-3.1 C308磊晶片之Micro-PL光譜圖 ..…………37
圖4-3.2 C308微米柱共振腔Micro-PL光譜圖 ..……38
圖4-5.1 批覆金屬之量子點微米柱共振腔I-V曲線圖 40
圖4-5.2 經RTP快速回火改善後之I-V曲線圖 .……...41
圖4-5.3 經RTP快速回火改善後之Log(I)-V ..………42
圖4-5.4 批覆金屬之量子點微米柱共振腔EL光譜圖 42
圖4-5.5 微米柱共振腔與Mesa元件之EL取Normalized比較圖 ………...........................................................…….43
圖4-5.6 微米柱共振腔與Mesa元件之電激螢光積分面積圖 ……………….......................................................….43
圖4-6.1 模擬模型及折射率參數 ............……………45
圖4-6.2 未批覆金屬之微米柱共振腔COMSOL模擬結構圖 …….......................................................…………….46
圖4-6.3 未批覆金屬之微米柱共振腔的模擬場型分佈圖 ………………......................................................……...46
圖4-6.4 批覆金屬之微米柱共振腔COMSOL模擬結構圖 ……………….......................................................…….47
圖4-6.5 批覆金屬之微米柱共振腔各波長模擬場型分佈圖 ……………….........................................................…...48

表次
表4-3.1 製程前後的FWHM比較 ..………………….38
表4-4.1 製程前後的Q值比較 ……………..………..39
表4-6.1 實驗與模擬結果比較 ……...........................48

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