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研究生:唐萱銘
研究生(外文):Hsuan-Ming Tang
論文名稱:SU-8光纖孔洞被動自我對準製程應用於InP/InGaAs p-i-n檢光二極體研製
論文名稱(外文):Fabrication of InP/InGaAs p-i-n Photodiode Using SU-8 Fiber Hole Passive Align Processing
指導教授:何文章何文章引用關係
指導教授(外文):Wen-Jeng Ho
口試委員:游本懋童儒達廖枝旺
口試日期:2012-07-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:光電工程系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:p-i-n檢光二極體鋅擴散固態擴散源Open-Tube頻率響應SU-8光阻液
外文關鍵詞:p-i-n PhotodiodeZinc DiffusionSolid sourceOpen-TubePhoto-ResponsivitySU-8 Photoresist
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InP/InGaAs p-i-n 檢光二極體是最常用的光通訊光檢測器之一,在1310 nm與1550 nm的波長,InP/InGaAs p-i-n 檢光二極體具備響應速度快和效率高等特色,滿足光纖通訊系統上當作檢光器的要求。
本論文建立SU-8光纖孔洞形成技術及將其應用在InP/InGaAs p-i-n 檢光二極體之研製。利用SU-8孔洞直接形成於檢光器感光區上,可使光纖被動自我對準到檢光器,如此可以降低光耦合損失。在製程方面,利用MOCVD磊晶完成n-InP/n-InGaAs/n-InP晶片逐步進行檢光器製作,製程包括利用電漿化學氣相沉積(PECVD)在磊晶片表面沉積氮化矽(Si3N4),利用光微影及BOE溶液進行Si3N4層擴散窗蝕刻,利用Open-Tube固態鋅擴散源進行擴散,利用電子束蒸鍍Ti/AgZn/Ti於正面及將In蒸鍍於背面,經退火處理後形成正面與背面金屬電極。我們成功的研製出感光直徑為20 μm、30 μm、40 μm、50 μm之 p-i-n 檢光二極體。最後製作SU-8孔洞於檢光器上方及將單模光纖固著於SU-8孔洞。元件特性量測方面,先量測直流I-V特性,在逆向偏壓為5 V時,暗電流(Dark Current ; ID) 暗電流能低於20 pA ; 另外,我們使用 1550 nm之 DFB 雷射光源,當輸入功率為2 uW下,得到輸出之光電流(Photo Current ; Ip) > 1.7 μA,其光響應度(PhotoResponsivity) > 0.8 A/W。最後,以感光直徑為50 μm之元件進行C-V及頻率響應量測,電容及 f3-dB 頻率響應在逆向偏壓5 V時,分別為1.165 pF及3.24 GHz。


InP/InGaAs p-i-n photodiodes have been used widely in Optical communication. InP/InGaAs p-i-n photodiodes have high responsivity and high efficiency at the wavelength of 1310 nm and 1550 nm. Their performances are satisfied the requirements of optical fiber communication applications.
In this paper, SU-8 fiber hole was formed upon the InP/InGaAs p-i-n photodiode for the object of passive alignment. Therefore we fabricated the SU-8 fiber hole structure over the light-active area of detector to reduce the coupling loss between fiber and detector. The epitaxial layers, which constitute of a cap layer of n-InP, an absorption layer of n-InGaAs, and an n-InP buffer layer, are grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A Si3N4 film was deposited by plasma enhance chemical vapor deposition (PECVD). Photolithography and buffered oxide etchant (BOE) are used to etch Si3N4 and to obtain a diffusion mask. Open-tube method and solid Zinc source are applied for Zn-diffusion. We deposited Ti/AgZn/Ti on front-side and In on back-side by E-beam evaporation as ohmic contacts after RTA annealing. We successfully fabricated the detector with the active area of 20-μm、30-μm、40-μm、50-μm diameter. Next a single-mode fiber (SMF) was put into the SU-8 fiber hole which can be fixed and aligned directly into light-active center of the detector. For devices characterization, we first measure the dark current-voltage. When the device was biased at -5 V, the dark-current(ID) was < 20 pA. A 1550 nm DFB laser with power of 2 uW as a light source, the photo-current (Ip) of 1.7 uA and the photo-responsivity of > 0.8 A/W are obtained. Finally, the capacitance-voltage measurement and frequency response of the device with 50 um diameter are also measured. Capacitances of 1.165 pF and 3dB bandwidth of 3.24 GHz are obtained at -5 V, in this study.


目錄
摘要 I
ABSTRACT III
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1平面型PIN檢光二極體 1
1.2研究動機 2
第二章 PIN檢光二極體之工作原理 4
2.1工作原理 4
2.2光吸收光譜 4
2.3暗電流機制 5
2.3.1擴散電流 6
2.3.2產生-復合電流 7
2.3.3 穿隧電流 8
2.4 雜質擴散 9
2.4.1擴散理論 9
2.4.2 擴散方程式 9
2.4.3擴散技術 11
第三章 元件結構製程與SU-8 FIBER HOLE建立 17
3.1 PIN元件設計 17
3.2 PIN磊晶結構 18
3.3 PIN元件製作流程 18
3.3.1 第一道光罩–製作不同直徑的圓進行擴散 18
3.3.2第二道光罩–製作P型金屬環 21
3.3.3第三道光罩–製作Bond Pad金屬(直徑100μm) 22
3.3.4蒸鍍背面N型金屬 23
3.4 SU-8 FIBER HOLE製作參數建立 23
3.5建立裸光纖端面設計 26
第四章 結果與分析 41
4.1鋅擴散源特性分析 41
4.1.1鋅擴散後表面情形 41
4.1.2表面濃度與擴散深度分析 43
4.2電流-電壓量測 44
4.2.1 直流量測 44
4.2.2 暗電流量測 47
4.2.3 溫度對元件特性影響 49
4.2.4 崩潰電壓與溫度關係 53
4.3光功率對元件的關係 54
4.3.1 PIN檢光二極體照光特性量測 55
4.3.2 比較有/無SU-8 fiber hole於PIN檢光二極體之照光特性量測 57
4.3.3 不同光功率下與元件關係 59
4.4電容-電壓量測 60
4.5 頻率響應 64
4.6 比較常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體 66
4.6 不同的蒸鍍金屬對應同一感光直徑比較 71
第五章 結論與未來工作 73
參考文獻 74

表目錄
表3-1 SU-8在不同的曝光時間與顯影時間 34
表4-1 PIN檢光二極體元件特性參數 46
表4-2 溫度係數與不同溫度關係圖 53
表4-3 電流-電壓特性數據表 56
表4-4 電流-電壓照光特性數據表(波長1550 nm雷射光源光功率 2 μW) 58
表4-5 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測的電容-電壓數據表 63
表4-6 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下量測的電流-電壓曲線圖 69
表4-7 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下照光量測的電流-電壓曲線圖(波長1550 nm光功率 2 μW) 70
表4-8 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下量測的電容- 電壓數據表 70
表4-9 相同感光直徑對應不同蒸鍍金屬 72

圖目錄
圖1.1- 1 檢光器種類 3
圖2.1- 1 PIN檢光二極體工作原理 12
圖2.2- 1 不同波長與半導體材料之吸收係數關係圖 12
圖2.2- 2 直接能隙半導體 13
圖2.2- 3 間接能隙半導體 13
圖2.3- 1 擴散電流機制 14
圖2.3- 2 產生-復合電流機制 14
圖2.3- 3 穿隧電流機制 15
圖2.4- 1 缺位擴散示意圖 15
圖2.4- 2 間隙擴散示意圖 16
圖2.4- 3 (a)固定表面濃度擴散,(b)固定總參雜擴散 [23] 16
圖3.2-1 PIN磊晶結構 27
圖3.3-1 晶片表面沉積1500A氮化矽之介電材料示意圖 27
圖3.3-2 自製石英盒設計圖(單位:mm) 28
圖3.3-3 固態擴散源置入石英盒底部設計圖 28
圖3.3-4 鋅擴散形成p-InP 示意圖 29
圖3.3-5 蒸鍍金屬Ti/AgZn/Ti形成p-metal金屬環示意圖 29
圖3.3-6 蒸鍍金屬Ti/AgZn/Ti形成Bond-pad示意圖 30
圖3.3-7 蒸鍍金屬In形成N-metal示意圖 30
圖3.3-8 不同直徑擴散的圓俯視圖 31
圖3.3-9 不同直徑的P型金屬環俯視圖 31
圖3.3-10 對應不同感光直徑下的Bond-pad 33
圖3.4-1 測試SMF 與光纖孔洞示意圖 34
圖3.4-2 曝光7 秒顯影時間3.5 分鐘,(a)SU-8 Fiber Hole 正面圖,(b)深度圖 34
圖3.4-3 曝光7 秒顯影時間4 分鐘,(a)SU-8 Fiber Hole 正面圖,(b)深度圖 35
圖3.4-4 曝光7.5 秒顯影時間3.5 分鐘,(a)SU-8 Fiber Hole 正面圖,(b)深度圖 35
圖3.4-5 曝光7.5 秒顯影時間4 分鐘,(a)SU-8 Fiber Hole 正面圖,(b)深度圖 35
圖3.4-6 曝光8 秒顯影時間3.5 分鐘,(a)SU-8 Fiber Hole 正面圖,(b)深度圖 36
圖3.4-7 曝光8 秒顯影時間4 分鐘,(a)SU-8 Fiber Hole 正面圖,(b)深度圖 .36
圖3.4-8 曝光7.5秒顯影時間4分鐘之剖面圖 36
圖3.4-9 SU-8光阻在PIN檢光二極體上俯視圖 37
圖3.5-1 (a)裸光纖端面設計與SU-8 光纖孔洞示意圖, 37
(b)經光纖切割機製作裸光纖端面設計之實體圖(平面型) 37
圖3.5-2 (a)光纖尖錐成形示意圖,(b)蝕刻液面微觀圖,(c)濃度蝕刻時間圖 39
圖3.5-3 (a)裸光纖端面設計與SU-8 光纖孔洞示意圖, 39
(b)經浸泡HF後裸光纖端面設計之實體圖(圓錐形) 39
圖3.5-4 (a)裸光纖端面設計與SU-8 光纖孔洞示意圖, 40
(b)經光纖熔接機放電後裸光纖端面設計之實體圖(透鏡型) 40
圖4.1-1 高溫擴散後表面破壞 42
圖4.1-2 晶片表面經過高溫擴散後的破壞 42
圖4.1-3 晶片經過高溫擴散後EC-V量測圖 43
圖4.2-1 PIN檢光二極體元件在相同擴散條件下不同感光直徑的電流-電壓圖 45
圖4.2-2 非理想二極體I-V特性曲線圖 45
圖4.2-3 PIN檢光二極體元件電流-電壓(log(I)-V)曲線圖 46
圖4.2-4 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測的暗電流曲線圖 48
圖4.2-5 PIN檢光二極體元件在不同的感光直徑不同溫度與暗電流關係圖 51
圖4.2-6 溫度在不同偏壓與暗電流關係圖 52
圖4.2-7 PIN檢光二極體元件在不同的感光直徑下崩潰電壓-溫度關係圖 53
圖4.3 光纖被動對準機制示意圖 54
圖4.3-1 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測的光電流曲線圖 56
圖4.3-2 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測的光電流曲線圖 58
圖4.3-3 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測不同光功率下的曲線圖 59
圖4.4-1 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測的電容-電壓曲線圖 61
圖4.4-2 PIN檢光二極體在不同感光直徑下量測的電容-電壓與光電流曲線圖 63
圖4.5-1 量測3-dB之架構圖 65
圖4.5-2 量測3-dB 頻寬曲線圖 65
圖4.6-1 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下量測的暗電流曲線圖 67
圖4.6-2 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下照光量測的光電流曲線圖 68
圖4.6-3 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下照光量測的光電流曲線圖 (固定封膠光纖於SU-8 Fiber Hole) 68
圖4.6-4 常用的蒸鍍金屬電極對應PIN檢光二極體不同感光直徑下量測的電容-電壓曲線圖 69


參考文獻
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