王培勳

為了彌補現今互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)製程的熱損耗、傳輸距離與成本等問題，矽光子技術逐 漸蓬勃發展，其有著傳輸損耗低與高頻寬的特性，且與CMOS製程有良好的相 容性，矽光子整合之光積體電路在光傳輸、生物感測、量子光學與非線性光學 的應用上都有很大的潛力，矽光子常見使用的波段為1310 nm與1550nm，因為 矽基材料在此兩波段有著較少的吸收，對於光波導的傳輸有較少的損耗，但由 於矽波導的能帶小，容易產生雙光子吸收，對於非線性光學的應用有限，因此 許多研究嘗試開發其他材料作為波導媒介，本論文使用氮化鎵作為波導導光層 材料，氮化鎵由於有著非對稱的晶格排列，因此同時存在χ (2) 與χ (3) 非線性，更容 易產生二倍頻與頻率梳，傳統上沉積氮化鎵的方式為有機金屬化學氣相沉積法 (MOCVD)，若沉積在有晶格的矽基材料，會因為晶格不配對的關係而成長困難 ，若基板為無晶格的矽基材料，也難以長出高品質且有晶格的氮化鎵，因此本 論文使用高功率脈衝磁控濺射(HiPIMS)的方式，在室溫的沉積環境也可以得到 高品質的氮化鎵薄膜。 首先介紹波導的基本理論與成立條件，從Snell’s law得知，導光層必須為光 密介質才能形成波導，本論文使用導光層材料為氮化鎵與氮化矽，再介紹環形 共振腔偶合條件、品質因子與群速度色散等特性，若想達到臨界耦合需要較低 損耗的環形波導與較小的間隙以減少消逝波的耦合損耗。再以時域有限差分法 與有限元素法分別模擬氮化鎵與氮化矽環形共振腔之不同間隙大小的耦合效率 、不同波導寬度的模態數、不同絕緣層厚度之場型分布與群速度色散，由於氮 化鎵的折射率較大，需要較小的間隙大小才能達到臨界耦合，而也因為較大的 折射率，需要的絕緣層厚度較小。 再來介紹製程，以HiPIMS氮化鎵與LPCVD氮化矽作為波導導光層材料， 由於需要小於300 nm的間隙才能達到臨界耦合，故使用電子束微影系統，傳統 方式將圖案分割成較小的曝光邊界依序曝光，但邊界接合問題會造成波導傳輸 的損耗，本論文使用(Fixed- beam moving stage, FBMS)的模式，固定電子束改為 移動採台的方式，可沿著波導曝光，避免邊界接合的問題，經曝光方式優化後 ，在空氣包覆層的情況下，氮化鎵波導傳輸損耗從57 dB，降低到32 dB，經過 沉積二氧化矽包覆層後，傳輸損耗降低到16 dB，且氮化鎵的品質因子達到 4*10^4 ，本論文為第一個實現在二氧化矽上沉積氮化鎵並做出品質因子達到10^4 的 環形共振腔。 本論文使用HiPIMS沉積氮化鎵，在晶格不配對的情況下，為氮化鎵元件提 供一個更多元的沉積方式，藉由此技術，使氮化鎵能與CMOS製程整合，是非 常有潛力的技術。