CN107732655A - 一种dfb激光器部分光栅制作方法 - Google Patents

一种dfb激光器部分光栅制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，包括如下步骤：在N型磷化铟衬底上，采用金属有机化学气相沉积方法依次生长N型InP缓冲层、多量子阱结构、P型InP层、InGaAsP光栅层及InP光栅层；在外延片表面均匀涂覆光刻胶，通过光刻版遮住部分光栅，在光刻机下进行曝光，后进行全息曝光及显影，形成光栅区与非光栅区；利用光刻胶作为保护层，采用反应离子刻蚀技术对光栅层中InP光栅层进行刻蚀；采用针对InGaAsP的选择性腐蚀液对InGaAsP光栅层进行腐蚀，室温静置腐蚀1‑2分钟。该方法利用光刻胶作为保护层，采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法腐蚀形成深度一致的部分光栅，适合DFB激光器批量制作。

Description

一种DFB激光器部分光栅制作方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种DFB激光器部分光栅制作方法。
背景技术
DFB激光器由于具有良好的单模特性，现已广泛应用于光纤通信领域。通过调节DFB激光器中的光栅周期(通常为180-250nm)可获得不同的单模波长，从而满足光纤通信对不同波长的需要。因此，DFB激光器中光栅制作质量将决定DFB激光器的光电特性和最终的良率。
通常情况下，光栅图形制作主要有两种方法：全息曝光和电子束曝光。全息曝光制作简单，效率高，设备成本低，但只能制作均匀光栅；而电子束曝光能够制作相移光栅及可变周期的光栅，但耗时时间长，效率低，设备成本高。而光栅最终形成还需通过干法刻蚀和湿法腐蚀完成，一般有如下几种方法：
(1)直接采用反应离子刻蚀技术将光栅层材料刻蚀掉，片内光栅刻蚀深度一致，但为了保证光栅层完全刻蚀掉，必须采用过刻蚀，从而对光栅层下方的材料产生刻蚀损伤，同时产生的光栅形状为矩形，不利于后续的光栅掩埋生长；
(2)采用非选择性湿法腐蚀，通常采用Br基腐蚀液，能够同时腐蚀InP和InGaAsP，虽然能够形成有利于光栅掩埋的光栅形貌，但是非选择性腐蚀会导致侧向腐蚀，对腐蚀工艺控制要求较高，同时湿法腐蚀的片内深度一致性较差；
(3)采用选择性湿法腐蚀，采用HCl系列腐蚀液对光栅层中InP层腐蚀，然后再利用H2SO4系列选择性腐蚀液对光栅层中InGaAsP层进行腐蚀，虽然片内光栅深度的一致性较好，但第一次选择性腐蚀InP的工艺要求较高，同时InP的侧向腐蚀会最终影响光栅的占空比，进而影响DFB激光器的阈值电流、输出功率及最终良率。
因此有必要设计一种DFB激光器部分光栅制作方法，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种DFB激光器部分光栅制作方法，采用这种方法能够形成光栅深度一致的部分光栅，且因采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法相结合的方法腐蚀形成深度一致的光栅，同时对光栅层下方的P型InP无刻蚀和腐蚀损伤，避免光栅深度过深或过浅的现象，工艺制作简单，适用于大批量生产的DFB激光器的光栅制作工艺。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在N型磷化铟衬底上，采用金属有机化学气相沉积方法依次生长N型InP缓冲层、多量子阱结构、P型InP层、InGaAsP光栅层及InP光栅层；
步骤2：在外延片表面均匀涂覆光刻胶，使用光刻版作为掩膜层遮住部分光栅，先在光刻机下进行曝光，然后进行全息曝光及显影，从而形成光栅区与非光栅区；
步骤3：利用光刻胶作为保护层，采用反应离子刻蚀技术对光栅层中InP光栅层进行刻蚀，刻蚀深度大于所述InP层厚度，但不超过所述InGaAsP光栅层总厚度；
步骤4：采用针对InGaAsP的选择性腐蚀液对所述InGaAsP光栅层进行进一步腐蚀，室温静置腐蚀，腐蚀时间为1-2分钟，腐蚀完InGaAsP光栅层后即停止。
进一步地，所述多量子阱结构包括厚度为50-100nm的下限制层、厚度为100-200nm的多量子阱层及厚度为50-100nm的上限制层，所述下限制层位于所述上限制层下方。
进一步地，所述N型InP缓冲层厚度为500nm
进一步地，所述P型InP层厚度为10-100nm，
进一步地，所述InGaAsP光栅层厚度为30-100nm，
进一步地，所述InP光栅层厚度为10-20nm。
进一步地，所述光栅区宽度为150-250um，光栅区宽度为50-150um。
进一步地，所述的反应离子刻蚀技术，反应气体为CH4/H2混合气体，其中CH4流量为8-12sccm，H2流量为30-50sccm，射频功率为50-100W，反应气压为30-50mTorr，反应温度为20-25℃，反应时间为2-3分钟；
进一步地，所述选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液。
更进一步地，所述选择性腐蚀液中H3PO4:H2O2:H2O的体积比为5:1:20。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，采用全息曝光和光刻版掩膜曝光，形成部分光栅，有利于提高DFB激光器的输出功率和良率；
2、本发明提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，利用光刻胶作为保护层，采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法腐蚀形成深度一致的光栅，同时对光栅层下方的P型InP无刻蚀和腐蚀损伤，避免光栅深度过深或过浅的现象，工艺制作简单，适合DFB激光器的批量生产。
3、本发明提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，采用该方法能够有效提高光栅深度的均匀性，提高DFB激光器的制作良率，特别是对光栅深度一致性要求高的高速DFB激光器，有利于DFB激光器的批量制作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种DFB激光器部分光栅制作方法的一次外延多量子阱的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种DFB激光器部分光栅制作方法的部分光栅光刻后的截面示意图；
图3是本发明实施例提供的一种DFB激光器部分光栅制作方法的部分光栅采用反应离子刻蚀后截面示意图；
图4是本发明实施例提供的一种DFB激光器部分光栅制作方法的部分光栅选择性湿法腐蚀后截面示意图；
1、N型磷化铟衬底；2、N型InP缓冲层；3、多量子阱结构；4、P型InP层；5、InGaAsP光栅层；6、InP光栅层；7、光刻胶；8、光栅区；9、非光栅区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4，本发明实施例提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在N型磷化铟衬底1上，采用金属有机化学气相沉积方法依次生长N型InP缓冲层2、多量子阱结构3、P型InP层4、InGaAsP光栅层5及InP光栅层6；
步骤2：在外延片表面均匀涂覆光刻胶7，使用光刻版作为掩膜层遮住部分光栅，先在光刻机下进行曝光，然后进行全息曝光及显影，从而形成光栅区8与非光栅区9；
步骤3：利用光刻胶7作为保护层，采用反应离子刻蚀技术对光栅层中InP层进行刻蚀，刻蚀深度大于所述InP层光栅6厚度，但不超过所述InGaAsP光栅层5总厚度；
步骤4：采用针对InGaAsP的选择性腐蚀液对所述InGaAsP光栅层5进行进一步腐蚀，室温静置腐蚀，腐蚀时间为1-2分钟，腐蚀完InGaAsP光栅层后即停止。
本发明实施例提供一种DFB激光器部分光栅制作方法，采用全息曝光和光刻版掩膜曝光，形成部分光栅，有利于提高DFB激光器的输出功率和良率；同时，利用光刻胶作为保护层，采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法相结合腐蚀形成深度一致的光栅，同时对光栅层下方的P型InP无刻蚀和腐蚀损伤，避免光栅深度过深或过浅的现象，工艺制作简单，适合DFB激光器的批量生产。
优选地，如图1-图4所示，步骤1中，所述多量子阱结构3包括厚度为50-100nm的下限制层、厚度为100-200nm的多量子阱层及厚度为50-100nm的上限制层，所述下限制层位于所述上限制层下方。
优选地，如图1-图4所示，步骤1中，所述N型InP缓冲层2厚度为500nm。
优选地，如图1-图4所示，步骤1中，所述P型InP层4厚度为10-100nm。
优选地，如图1-图4所示，步骤1中，所述InGaAsP光栅层5厚度为30-100nm，
优选地，如图1-图4所示，步骤1中，所述InP光栅层6厚度为10-20nm。
优选地，如图2所示，步骤2中，在外延片表面均匀涂覆光刻胶7，通过部分光栅光刻版掩膜对准，先在光刻机下进行曝光，然后进行全息曝光及显影，从而形成光栅区8与非光栅区9，其中光刻胶厚度为50-100nm，光刻版周期为300um，所述光栅区8宽度为150-250um，非光栅区9宽度为50-150um。
优选地，如图3所示，步骤3中，利用光刻胶7作为保护层，采用反应离子刻蚀技术(RIE或ICP)对光栅层中InP层进行刻蚀，刻蚀深度为20-50nm，刻蚀后形貌如图3所示，其中所述的反应离子刻蚀技术，反应气体为CH4/H2混合气体，其中CH4流量为8-12sccm，H2流量为30-50sccm，射频功率为50-100W，反应气压为30-50mTorr，反应温度为20-25℃，反应时间为2-3分钟；
优选地，如图4所示，步骤4中采用针对InGaAsP的选择性腐蚀液对光栅层进行进一步腐蚀，室温静置腐蚀，腐蚀时间为1-2分钟，腐蚀完InGaAsP光栅层后即停止，从而保证外延片中各区域光栅腐蚀深度一致。腐蚀后形貌如图4所示，对腐蚀后的形貌在SEM下进行观察，其中所述选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，腐蚀后所述光栅区8形成深度一致的光栅，避免光栅深度过深或过浅的现象，工艺制作简单，适合DFB激光器的批量生产。
最优选地，如图4所示，所述选择性腐蚀液中H3PO4:H2O2:H2O的体积比为5:1:20。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在N型磷化铟衬底(1)上，采用金属有机化学气相沉积方法依次生长N型InP缓冲层(2)、多量子阱结构(3)、P型InP层(4)、InGaAsP光栅层(5)及InP光栅层(6)；
步骤2：在外延片表面涂覆光刻胶(7)，使用光刻版作为掩膜层遮住部分光栅，先在光刻机下进行曝光，然后进行全息曝光及显影，从而形成光栅区(8)与非光栅区(9)；
步骤3：利用光刻胶(7)作为保护层，采用反应离子刻蚀技术对光栅层中InP层进行刻蚀，刻蚀深度大于所述InP光栅层(6)厚度，但不超过所述InGaAsP光栅层(5)总厚度；
步骤4：采用针对InGaAsP的选择性腐蚀液对所述InGaAsP光栅层(5)进行进一步腐蚀，室温静置腐蚀，腐蚀完InGaAsP光栅层后即停止。
2.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述多量子阱结构(3)包括厚度为50-100nm的下限制层、厚度为100-200nm的多量子阱层及厚度为50-100nm的上限制层，所述下限制层位于所述上限制层下方。
3.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述N型InP缓冲层(2)厚度为500nm。
4.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述P型InP层(4)厚度为10-100nm。
5.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述InGaAsP光栅层(5)厚度为30-100nm。
6.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述InP光栅层(6)厚度为10-20nm。
7.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述光栅区(8)宽度为150-250um，光栅区(9)宽度为50-150um。
8.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述的反应离子刻蚀技术，反应气体为CH4/H2混合气体，其中CH4流量为8-12sccm，H2流量为30-50sccm，射频功率为50-100W，反应气压为30-50mTorr，反应温度为20-25℃，反应时间为2-3分钟。
9.如权利要求1所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液。
10.如权利要求9所述的DFB激光器部分光栅制作方法，其特征在于：所述选择性腐蚀液中H3PO4:H2O2:H2O的体积比为5:1:20。
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