主題文章1

近紅外光具濾波功能之鍺光偵測器應用於晶片型微光光譜儀Wavelength-selective Near-IR Ge Photodetectors for Implementing A Chip-scale Microspectrometer吳宗庭1、謝佳倩1、曾培哲2、李明昌1

1國立清華大學光電工程研究所、2工業技術研究院(ITRI)

02

摘　要

本研究提出藉由金屬共振波導光柵結構整合在鍺光偵測器陣列上，實現對波長具有選擇性

的近紅外光光偵測器，其偵測光譜可覆蓋 1.25μm到 1.55μm且半高寬小於 25nm。

Abstract

The research propose wavelength-selective infrared sensors made by multiple metallic resonant

waveguide gratings integrated on a germanium photodetector array. The detective spectrum

can cover from 1.25μm to 1.55μm with the FWHM less than 25nm.

關鍵字／Keywords ● 金屬共振導引模態、矽/鍺光偵測器、微光光譜儀、光學濾波裝置

● MRWG、Si/Ge Photodetectors、Micro-spectrometers、Optical Filters

03

奈米通訊NANO COMMUNICATION 24 卷 No. 1 近紅外光具濾波功能之鍺光偵測器應用於晶片型微光光譜儀

前　言

非侵入式光譜檢測在一般日常生活當中有許多應

用，如藥物檢測、毒物檢測及食品添加劑檢測等等，而

一般光譜儀是由自由空間光柵 (分光元件 )與 CCD一維

影像陣列組裝而成。而 CCD影像陣列主要是以矽半導體

為吸光材料，因此市售光譜儀大部份是以可見光至近紅

外光 (400 nm~1000 nm)為主要的偵測範圍，然而某些特

殊材料其吸收光譜會延伸至短波長紅外光 (SWIR，1000

nm~1700 nm)。然而傳統 SWIR光感測器大多以 InGaAs

半導體為主，將其設計成光二極體元件，並使之封裝於

電路上，並透過晶片的增益放大來準確得知微弱的紅外

光訊號，但由於 III-V半導體昂貴的製作與材料成本，使

SWIR光偵測器一直以來面臨著造價極高的難題。另一方

面，目前的可攜式光譜儀皆由獨立的分光元件及光偵測

器組裝而成，若要將此技術應用在互聯網或穿戴式電子

裝置上，無論在技術及價格上都有相當大的挑戰。

近年來隨著矽鍺光子學 (SiGe Photonics)及鍺電子元

件各領域應用的蓬勃發展，在不斷提升電晶體的速度的

同時，光電領域上已經製作出矽鍺接面的近紅外光偵測

器，其暗電流及光響應度已達商用標準，更重要的是因

為矽鍺製程與一般的 CMOS製程相容性高、易與電子電

路元件整合，大幅降低元件的製作成本，未來十分有潛

力取代 III-V半導體用於一般的短波長紅外光影像感測器。

因此在本研究中，我們提出一波長可調的光學濾波

元件垂直整合在鍺光偵測晶片上，該光學濾波元件與鍺

光偵測是單體整合 (Monolithic Integration)，無需後續的

對準封裝，除了可大幅降低價格，也可將光譜儀縮小至

晶片大小，有利於整合至穿戴式電子裝置上。

理論背景

2.1 光偵測器原件

目前光偵測器可分為三種主要的架構，分別是雪崩

型光增益二極體光偵測器 (APDs)、金屬半導體金屬光偵

測器 (MSM PDs)，PIN二極體光偵測器 (PIN PDs)。一般而

言，影像光偵測器都是採用 PIN或 MSM的架構方式來實

現，而 APDs由於其操作電壓極高，若非應用於弱光偵測

上，大部分由上述兩者取代。而 MSM 相對於 PIN PDs，

因其光響應度不如 PIN PDs，所以在商業應用上 PIN PDs

更有優勢。而本論文的核心是具有濾波功能之光偵測

器，希望能在針對波長選擇時能有高響應度，因此我們

以 PIN PDs作為設計的目的 。

2.2 光柵繞射異常現象

過去 1902 年，美國約翰霍普金斯大學教授 R. W.

Wood發現光柵繞射光的異常 (Anomaly)現象 [1]，此異

常現象是在經由光與光柵作用產生的繞射光，在特定波

長與入射角度時，導致光強度產生急遽的變化，進而造

成光學的濾波與帶通等特性．此外在 1965年 Hessel 與

Oliner [2] 對於各種光柵繞射做了 的探討與特性分析，

大致可分為兩種基本類型，第一類稱為“Resonance

Anomaly”，是光與其光柵結構材料產生共振的現象。第

二型稱為“Rayleigh anomaly”，是將繞射光能量藉由光

柵結構進行重新分配的現象。

其中第一類型 Resonance Anomaly為本我們主要的

探討方向，對於 Resonance Anomaly可將其分為兩種，

其一是指光能量被侷限於波導結構中產生的共振結果，

當光入射到介電材料光柵結構，入射光的繞射光會被耦

合到介電材料的波導模態，若特定波長與下方介電材料

產生強烈破壞性干涉時，則會再被大量反射回去，反

之其他波長則往下穿透，其反射頻譜如下圖 1(a)，我們

稱此種機制為導引模態共振 (Guided-mode Resonance) [3-4]。其二是當光柵材料為金屬時，由於光和金屬的強

烈交互作用下產生共振電漿子，使光侷限在金屬與介電

材料界面間的共振效應，而被侷限於金屬與介電材料間

共振的光能量會被金屬強烈的吸收，其吸收頻譜如下

圖 1(b)所示，我們稱此為表面電漿共振 (Surface-plasma

Resonance) [3]。下面我們將個別介紹兩者共振特性，並引

入波導金屬化光子晶體的概念。

2.2.1 金屬電漿共振模態

金屬受到外加電磁場給予能量作用後做集體震盪之

行為，若與具有極化方向之電磁波耦合，則形成電漿極

化子 (Plasmon Polariton)。而根據產生方式的不同，大

致上可區分為兩類，分別是以表面波方式在金屬與介電

質界面傳遞的表面電漿子 (Surface Plasmon Polariton) [7]

和在金屬奈米粒子上以表面電荷 (電子團 )所產生的震

主題文章104

盪行為，我們稱之為局域化表面電漿 (Localized Surface

Plasmon)[8]。

A. 表面電漿震盪

當電磁波照射於金屬與介電質材料的界面時，會使

電荷密度發生極化現象，而誘發電磁場與金屬表面的電

荷耦合。由於金屬內部極高的電子密度，可見光波段以

上的電磁波受屏蔽效應影響而無法穿透，形成被侷限在

表面以疏密波或稱為縱波形式傳播之非輻射性表面波，

並在離開界面後呈現指數函數衰減，此種現象我們稱之

為表面電漿震盪 (Surface Plasmon Oscillation)，如圖 2(a)

所示；同樣受到屏蔽效應的影響，其強度在金屬內部的

衰減率要比介電材料內部大的多。

B. 局域化表面電漿子

除了會在金屬表面產生表面電漿波外，另一種表面

電漿子的行為會產生在金屬奈米粒子的表面上。假設有

一遠比入射光波長要小的金屬奈米粒子受到照射，其集

膚效應 (Skin Depth Effect)將可忽略，而其上的自由電子

受到外加電磁波之影響而與晶格上之離子產生週期性的

相對位移，這些位移使得電荷累積在相反的表面上，形

成局部電場增強；這些電荷互相吸引而產生拉力，使得

電子來回震盪，故稱之為局域化表面電漿子，如圖 2(b)

所示。而由於不同奈米顆粒表面累積的電荷及距離各不

相同，產生之還原吸引力亦不同，代表其能產生的共振

頻率也不盡相同。[9]

2.2.2 波導模態共振

波導共振模態是藉由光柵的繞射光耦合到介電材

料光柵下的導引層模態，當入射光波在某個特定波長剛

好跟平面波導結構產生相位匹配 (Phase Match)，此波長

的光就會被光柵耦合到波導的模態進而在波導中傳遞，

但是由於光柵的存在，光波無法永遠沿著波導傳遞，因

圖 1(b)　 石金屬光柵所產生的 Surface-plasma Resonance E�ect [6]

(參考其成果之示意圖 )。

圖 2(a)　 表面電漿震盪示意圖。

圖 1(a)　 介電質光柵波導中的 Guided-mode Resonance [5] (參考

其成果之示意圖 )。

圖 2(b)　 局域化表面電漿子示意圖。

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奈米通訊NANO COMMUNICATION 24 卷 No. 1 近紅外光具濾波功能之鍺光偵測器應用於晶片型微光光譜儀

為行進過程中會被光柵再次繞射出去，形成洩漏模態

(Leaky Mode)，而往下洩漏的模態，可利用多次干涉模型

(Multiple Interference Model)找到在適當的結構厚度，將

此向下耦合出去的光 (穿透方向 )與零階的透射波產生完

全破壞性干涉，即沒有光能夠穿透到基版 (Substrate)，

而耦合出去的光波 (反射方向 )會建設性干涉，所以可以

設計對波長具有選擇性的完美反射鏡，其反射率可接近

100%，如圖 3所示。

2.2.3 波導耦合金屬光子晶體

基於波導模態共振和表面電漿共振之間的耦合，

產生一種新的物理機制，又稱作波導耦合金屬光子晶體

(Waveguide Metallic Photonic Crystals)，而此結構便是將

原先傳統波導模態共振之介電材料光柵改成金屬光柵，

如圖 4所示，當一束入射光的偏振垂直於金屬光柵 (TM-

mode)時，可以激發局域化表面電漿子，使得在相位匹

配的特定波長入射光與金屬奈米光子晶體結構產生局域

化電漿模態並強烈散射，這導致直接透射光束的強度減

小並顯著增強傳遞於光波導中的光強度 [11]，而在波導層

中傳播的光會撞擊金屬光柵再次產生部分反射、以及部

分穿透，其同向位的穿透光 Sd1、Sd2、Sd3⋯疊加並與

零階的透射波 St建設性干涉後得到剩餘的強穿透光，同

時此設計僅需調整光柵週期Λ與寬度 W便可達到對特

定波長穿透的濾波效果。

元件結構設計

由於本元件目的在於對光學波長的選擇性偵測，因

此如何設計出對光波長選擇性耦合的光學結構為首要目

標。然而傳統 Fabry-Perot-multilayer設計，若要做到多

波長的選擇並不簡單，需要改變其垂直結構的條件，大

幅提升製程上的困難度，因此我們提出只要改變金屬光

柵的週期，即可對波長擁有選擇性的光學結構，來做為

元件光學設計機制。在 2011年 Alex F. Kaplan的一篇研究

同樣提到藉由金屬光柵週期的改變，即能達到在可見光

頻譜具有濾波效果 (圖 5)，而此結構我們稱為金屬共振

波導光柵結構 (Metallic Resonant Waveguide Grating )，其

圖 3　局導引模態共振示意圖 [10]。

圖 4　波導耦合金屬光子晶體結構示意圖 [12]。

圖 5　金屬光柵週期調控可見光濾波 [23]。

主題文章106

機制原理與波導耦合金屬光子晶體結構相似。

為了設計出與鍺光偵測器垂直整合的濾波結構，我

們使用軟體 Lumerical FDTD Solutions來模擬分析其穿透

頻譜與光場分布。其設計結構如圖 6(a) 所示，最上層是

鋁金屬光柵，緊接著是光學導引層 (Guiding Layer) SiO2-

Si3N4-SiO2之三明治結構，而為了確保模擬與實作的真實

性，完整結構需包含矽基鍺基板。另外在光學結構層與

鍺界面放置一頻域能量監控螢幕 (Frequency-domain Field

and Power)計算當光透過光學結構設計實際穿透至鍺層

的能量與波長關係頻譜。而圖 6(b)為各層厚度與占空比

最佳參數。另外從圖 7與表 1中得知，在最佳結構下調

整不同的光柵週期從 750nm到 950nm的變化，明顯看

出對特定波長濾波可從 1250nm涵蓋到 1500nm，藉由

此結構我們能透過調整鋁光柵週期來達到對波長的選擇

性，且半高寬皆小於 30nm。此外從圖 8光磁場對結構

耦合模態圖中發現，適當的導引層厚度設計，使其與鋁

光柵篩選的光波長達到相位匹配，因此可對任一特定被

光柵篩選的光能量傳播在氮化矽層 (Si3N4)中，促使對範

圍在 1200nm~1500nm皆有高於 82%的光學能量入射進

鍺層中，以達到光能量在鍺層被吸收轉換為電訊號的目

的。

根據上述的結構設計，當廣波長範圍 TM偏振光入

射在元件上時，我們利用金屬光柵與最佳化的導引層結

構，達到只對特定波長產生在光柵之間的狹縫處激發局

部性的電漿子，並使其減少向下透射的能量，進而增加

散射到導引層中產生導引模態的光能量。然而導引模態

傳播過程中，再度數次撞擊金屬光柵，再次產生部分反

射、以及部分穿透，而同相位的穿透光疊加並與零階的

透射波建設性干涉，最後達到強穿透光入射進入鍺層

中，進而被鍺層吸收並偵測，以實現濾波結構與鍺光偵

圖 7　 不同鋁光柵週期下對鍺層穿透率之模擬頻譜。

圖 6　 (a) 光學模擬結構圖與 (b) 最佳參數表。

表 1　 不同鋁光柵週期下對鍺層穿透率之模擬數據表。

[9]

圖 8　 光磁場對結構耦合模態圖。

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奈米通訊NANO COMMUNICATION 24 卷 No. 1 近紅外光具濾波功能之鍺光偵測器應用於晶片型微光光譜儀

測器的整合。

　　其元件整合結構如下圖 9(a) 元件俯視圖 9(b)

A-A’剖面圖 9(c) B-B’剖面圖所示，我們設計指叉式 PIN

結構，作為鍺光偵測器的元件結構，此設計只需藉由增

加四道布植製程，即可成功達到將光學濾波器與鍺光偵

測器進行整合，相較於垂直的 PIN結構，其製程將被更

為簡化且有效率。

元件製作成品

圖 1 0 為光學顯微鏡 ( O M ) 拍攝之元件成品俯視

圖，中間鋁光柵 (Al-grating)是此元件之收光區 (Optical

Aperture)，左右兩側分別為 P/N-type 離子佈植區延伸之

金屬導線 (Metal Pad)。而下段光學量測需將雷射光源照

射在收光區，而電性量測需給定偏壓於兩端金屬導線即

可測得光電流對電壓關係。

元件光學頻譜量測

根據先前的模擬結果，經由鋁光柵與光學引導層的

設計，可使得某特定波長導引至下方被鍺層所吸收進而

產生光電流。因此我們提出穿透頻譜的量測方法來確定

此元件光學設計之可行性，量測架構如圖 11。為了讓元

件能透過鋁光柵周期的改變而對光訊號做出不同波長的

選擇性偵測，我們使用一波長 1260~1360nm的可調式

半導體雷射 (Tunable Semiconductor Laser)做為頻譜掃描

光源，其光源由雷射出發後經過偏振控制器 (Polarization

Controller)，再對接鎖定單一軸向的 10:90偏振保持光纖

圖 9　 元件結構示意圖。

圖 10　 光學顯微鏡拍攝之元件成品俯視圖。 圖 11　 光學量測架構示意圖。

主題文章108

耦合器 (PM Coupler)，透過光功率計 (Power Meter)的

監測去調整偏振控制器使得最大光強度輸出，耦合器

的另一端連接同樣是偏振態維持的光纖，將其固定於

可移動的基座上，經由光學顯微鏡的觀察並調整出光

光纖對位於元件正上方，接著在元件的基板後方放置

一光偵測器接收，量測不同鋁光柵週期之光學結構尚

未被鍺層完全吸收所剩餘的穿透能量，以 1nm的間隔

對元件進行頻譜掃描。

圖 12 (a) (b) 分別為實際的光學量測與頻譜模擬

圖，隨著鋁光柵週期每增加 20nm，其元件光學頻譜中

心波段也跟著紅移 20nm左右，與模擬結果相比，將近

藍移了 20nm，而其誤差造成原因可能來自於製程上的

不穩定性及鋁金屬本身實作折射率與曝光些微的不同導

致。此外從半高寬 (FWHM)的數值分析來看，量測結果

皆小於 45nm，但相較於模擬還是有兩倍之多。因為量測

光路徑經過了 675um矽基板和基板晶背與空氣界面粗糙

表面的散射問題，導致半高寬變寬，也造成其中心波

長的偵測效率降低。但仍有確實達到隨鋁光柵週期改

變對不同波段偵測之目的。

元件電性量測

本研究使用半導體元件分析儀器 (Agilent B1500A

Semiconductor Device Analyzer)量測直流偏壓下之電流

對電壓關係。分析儀連接兩探針，再將探針接觸於元

件的兩端電極上，如圖 13，一端固定電壓另一端改變

電壓值量測電流大小再由電腦紀錄之。為避免環境光

源對元件的暗電流影響，過程將置於暗房中進行。量

測光電流的方法則是維持上段光學頻譜架構，並移動

光纖在元件上的相對位置，找出哪個位置下的光電流

強度最大，此時表示光纖端的功率完全照光在元件的

主動區上，再以可調式半導體雷射每 5nm為一間隔測

得電壓與光電流關係。

若考慮到可調式雷射只能操作在 1260nm~1360nm

間，根據模擬及光學量測結果我們選定光柵週期為

840nm和 860nm的元件進行量測，其結果如圖 14和圖

15所示，我們量測到中心波段的峰值分別為 1315nm和

圖 12　 (a)不同鋁光柵週期元件在 1260~1360nm的光學頻譜量

測結果；(b) 光學模擬頻譜；(c) 頻譜量測數據；(d) 模擬數

據。

圖 13　 電性量測架構示意圖。

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奈米通訊NANO COMMUNICATION 24 卷 No. 1 近紅外光具濾波功能之鍺光偵測器應用於晶片型微光光譜儀

1350nm，並且成功有效的抑制了周遭波段的光學響應，

圖 14　 光柵週期 840nm之元件在 1270~1350nm波段光電流與

中心波段 1315nm作強度歸一化之頻譜量測。

圖 15　 光柵週期 860nm之元件在 1260~1360nm波段光電流與

中心波段 1350nm作強度歸一化之頻譜量測。

圖 16　 光柵週期 840nm與 860nm之量測光電流結果相較於模擬

頻譜分析。

而其半高寬分別約為 15nm左右，此外根據圖 16，其光

電流響應頻譜與模擬相比皆有隨週期對特定波長選擇性

偵測的特性，而其中藍移 20nm的主要原因，與之前狀

況相似，來自於製程上的不穩定性及鋁金屬本身實作折

射率與曝光些微的不同所導致，但這並不影響我們實驗

的核心目標。根據此電性量測所量到的光電流響應頻譜

結果，我們成功將金屬共振波導光柵結構與指叉式鍺光

偵測器進行整合，並成功實現在近紅外光波段對各波長

選擇性偵測之鍺光偵測原件的單一晶片集成製作。

結　論

在本研究中，利用波導模態共振的理論結合金屬光

柵，該金屬光柵能夠選擇性地將垂直入射光耦合到波導

層，用於增強特定波長之光穿透至鍺層，同時藉由調整

金屬光柵週期便能達到濾波效果，且該光學元件設計於

近紅外光波段，濾波範圍涵蓋 1250nm~1550nm。此外

根據電性量測結果，在週期設計 840nm與 860nm光電

流響應頻譜中心波長分別為 1315nm與 1350nm，且皆擁

有小於 15nm的半高寬，成功達到在近紅外光波段選擇

性偵測的結果，並且僅需改變鋁光柵周期便能製作出不

同波長的選擇性偵測，相較於傳統多層薄膜堆疊結構的

方式濾波，此原件擁有更簡易且有效率的整合製程。另

外由於原件是一波長可調的光學濾波元件垂直整合在鍺

光偵測晶片上，該光學濾波元件與鍺光偵測是單體整合

(Monolithic Integration），無需後續的對準封裝，除了可

大幅降低價格，也可將光譜儀縮小至晶片大小，並藉由

CMOS製程加工完成，在產品價格上有競爭力，同時有

機會整合電子電路，以降低模組封裝成本，未來可應用

在穿戴式簡易光譜檢測裝置，用於藥物檢測、毒物檢測

及食品添加劑檢測等。除此之外，該具濾波功能之矽鍺

光偵測器可排列形成二維陣列，用於短波長紅外光彩色

影像感測器。

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主題文章1010

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