CN109462144A

CN109462144A - 一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法

Info

Publication number: CN109462144A
Application number: CN201811330731.7A
Authority: CN
Inventors: 李俊泽; 张建; 邓泽佳; 杨浩军; 李沫
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-03-12

Abstract

本发明公开了一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，包括步骤：GaN基激光器外延片上沉积SiO₂掩膜；使用纳米压印技术在基片表面制备均匀的布拉格光栅，光刻技术制作条形图样，形成脊型与光栅的复合结构；刻蚀GaN，经条形光刻胶与光栅状SiO₂复合结构掩膜刻蚀外延片，形成具有脊型的表面复合光栅结构；制备激光器芯片上下电极结构，得到GaN基DFB半导体激光器。本发明将光栅制备与工艺后期所需的脊型图样同时刻蚀，分别通过纳米压印模板与光刻版图设计组合，能针对不同波长、不同阶光栅、不同尺寸GaN基DFB激光器进行设计与制备，能大幅降低GaN基DFB半导体激光器成本，有效提高产品的均匀性。

Description

一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法

技术领域

本发明属于半导体光电器件领域，涉及GaN基DFB半导体激光器，具体涉及一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法。

背景技术

信息传输需要稳定工作的单模激光器，这种应用需求推动了半导体激光器的研究和发展。半导体激光器在用作通信系统的光源时，若具有色散，则光谱展宽会使传输带宽减小，从而限制了传输速率。分布反馈（DFB）半导体激光器是光通讯系统中发射端的核心器件，利用布拉格光栅有效选择谐振的模式，不同波长的激光的谐振腔损耗差别较大，因此在高速调制的情况下仍能保持完全单模状态，成功实现动态单模。DFB激光器的单模输出能有效降低光在传输过程中的色散展宽，适合应用于高速调制等应用。

目前主流的商用DFB激光器采用内置光栅结构，使用的是掩埋的低阶布拉格（Bragg）光栅来提供反馈，通常将布拉格光栅刻蚀在非常接近有源层的上波导盖层中并通过再生长的方式将光栅掩埋起来，所以在制作过程中会包含一次或多次的材料再生长过程。该结构的DFB半导体激光器，在制作光栅之前，首先在衬底上进行第一次外延形成基片；光栅制作完毕之后再进行二次外延；外延结束以后，再经过其它后部工艺，才能制作出DFB半导体激光器。外延设备通常为金属有机化合物化学气相外延（MOCVD）设备进行，所以成本较高。而且，由于外延的加热作用会使光栅变形，为保证光栅质量，需要对二次外延提出更加苛刻的工艺要求，二次外延的制作成本比一次外延更高，这种材料的再次生长过程会使激光器的制作变得复杂，从而降低了器件的实用性。相比于材料位错密度较低质量较高的InGaAsP材料体系，氮化镓基（GaN）材料二次外延难度更大，较大的材料位错密度对激光器的性能造成负面影响。因此，外延片表面光栅的方法被提出，即在激光器各层结构外延生长以后，在表面直接刻蚀光栅从而对出光进行调制，以实现单纵模。表面光栅DFB半导体激光器不需要二次外延，能有效降低制作成本，同时保证外延片质量，从而提高器件的成品率和可靠性。

表面光栅DFB激光器关键技术之一是短周期光栅制备。针对GaN基DFB激光器，其光栅周期约为百纳米，通常方法之一为电子束曝光，但这样的方式制备的光栅面积小，若制备外延片级别大面积的光栅，电子束曝光耗时很长，写场拼接精度难以保证，成本过高；或者深紫外激光器双光束干涉曝光等方式制备短周期光栅结构，曝光显影后，通过化学腐蚀或者反应离子刻蚀等方法将光栅图形转移到半导体材料上，但是深紫外光刻对光刻机的性能要求很高。

总之，现有的内嵌光栅DFB激光器存在材料再生长难度较大问题，导致成品率低、成本高。而且，现有的表面光栅DFB激光器存在对设备要求高、成本高无法进行大面积器件制备等问题。上述问题同样是限制GaN基DFB激光器大量使用的瓶颈问题。

发明内容

为克服上述技术缺陷，本发明提供了一种只需一次材料外延、且可以大面积、低成本不过度依赖于高精度光刻、电子束刻蚀等设备的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，该方法采用纳米压印技术结合传统光刻工艺及刻蚀技术制备DFB激光器所需要的布拉格光栅；纳米压印结合光刻技术发挥各自特征，完成对应光栅结构与脊型结构不同尺度的制备，且能大面积制备带有高精度光栅的脊型激光器结构，使得光栅结构能在完整外延片上实现，能简化工艺、缩短时间和技术成本，有利于GaN基DFB激光器的制备和应用，完全不同于电子束曝光的方式制备表面低阶布拉格光栅。

一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）激光器外延片准备

准备氮化镓基激光器外延片，该外延片使用衬底为N型GaN自支撑衬底，利用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）在该衬底上依次外延下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层及P型GaN基盖层。其中，P型GaN基盖层分为一般掺杂层和重掺杂层。

2）外延片表面设计低阶光栅和条形图案

先对外延片进行清洁，然后在外延片上进行SiO₂掩膜层的沉积；所述沉积可以采用等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）进行沉积。

再使用纳米压印技术结合刻蚀工艺在整个外延片上设计制备出SiO₂布拉格光栅结构层，所述布拉格光栅结构层平行于外延片的解离面。

然后，使用光刻技术在外延片上曝光制备出条形图样层，条形图样层的条形图样与布拉格光栅方向相垂直，形成条形叠加布拉格光栅的复合掩膜图形。

3）刻蚀实现复合光栅图形转移至外延片表面

以光刻胶和SiO₂为掩膜刻蚀外延片表面的氮化镓材料，实现表面布拉格光栅制备，同时条形光刻胶作为掩膜保护条形区域不被刻蚀，通过化学溶液分别完成对光刻胶、SiO₂掩膜及其它表面沾污的清洁，完成条形叠加布拉格光栅的复合掩膜结构的制备；该复合掩膜结构符合GaN基激光器的波长特征，条形区域便于电极制备。

4）激光器制备

对表面的条形加布拉格光栅结构的制备完毕后进行清洗，清洗之后进行光刻和刻蚀制作具有脊型的复合光栅结构，除去刻蚀掩膜之后光刻出电极窗口、蒸镀p型金属电极、N面减薄且n型电极蒸镀、解理、镀膜等工艺完成激光器制备。

所述刻蚀工艺均可以是离子束辅助自由基刻蚀（ICP）工艺，或者反应离子刻蚀（RIE）工艺。

本发明采用纳米压印结合传统光刻工艺制备GaN基表面布拉格光栅结构DFB激光器，最后经过脊型构造工艺制作DFB激光器芯片，相比于电子束曝光、深紫外双光束刻蚀等制作光栅结构的微纳加工工艺，采用纳米压印技术结合光刻工艺制备条形结构与表面低阶布拉格光栅的复合结构具有快速、低成本、高重复性等优势；本发明将传统光刻精度无法制备的光栅结构使用纳米压印替代，能达到低阶光栅的设计精度，并且纳米压印同光刻工艺较为独立，能针对电极和光栅分别设计版图，使本方法能针对不同波长、不同阶光栅、不同尺寸GaN基DFB激光器更灵活地改变光栅周期、占空比等参数进行设计与制备，适应不同波长DFB激光器，工艺简便、与常规工艺兼容，能大幅降低GaN 基DFB半导体激光器成本，有效地提高产品的均匀性。而且，利用该方法制备的DFB激光器因为其单模选择性较好，能运用于高功率固体激光器泵浦源；另外得益于其较高的边模抑制比，利用该方法制备的DFB激光器能成为理想的可见光通信激光光源。

附图说明

图1为本发明的制备方法流程图。

图2为本发明的所用激光器外延片的结构示意图。

图3为本发明制备得到布拉格光栅结构层后的侧面结构图。

图4为本发明制备得到条形图样层后的侧面结构图。

图5为本发明制备得到表面复合布拉格光栅结构层后的侧面示意图。

图6为本发明制成的单管GaN基低阶表面光栅DFB激光器的侧面结构图。

附图标记说明：L0-外延片整体；L1-N型氮化镓自支撑衬底；L2-下限制层；L3-下波导层；L4-多量子阱有源层；L5上层；L7-上限制层；L8-P型掺杂层；L9-P型重掺杂层；L10-SiO₂布拉格光栅结构层；L11-条形图样层；L12-表面复合布拉格光栅结构层；L13-p型电极；L14-n型电极。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成发明目的所采用的技术手段及功效，以下结合图例阐述本发明的具体实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。

本发明提出的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，如图1所示，包含以下步骤：

步骤P1，准备GaN基激光器外延片，使用丙酮、酒精及去离子水超声清洁后采用PECVD沉积SiO₂掩膜作为基片备用；

其结构如图2所示，该外延片使用衬底为N型GaN自支撑衬底，利用MOCVD在该衬底上依次外延下限制层、下波导层、多量子阱有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层及P型GaN基盖层。其中，P型GaN基盖层分为P型掺杂层L8和P型重掺杂层L9两层；

步骤P2，纳米压印制备布拉格光栅：利用纳米压印技术在步骤P1所得基片上制作布拉格光栅结构层，使用RIE或者ICP刻蚀SiO₂掩膜层至L9 GaN表面层，形成光栅结构如图3中L10所示；使用光刻技术制备光刻胶条形图案，作为刻蚀掩膜使用，其结构图如图4中L11所示；

步骤P3，将条形与布拉格光栅的复合掩膜结构转移至外延片表面：将图4所示的复合结构通过ICP刻蚀，以光栅结构SiO₂和条形光刻胶共同作为掩膜刻蚀氮化镓材料，将条形与光栅复合结构转移至外延片表面，如图5所示；

步骤P4，激光器后续工艺：在如图5所示的样品基础上通过激光器后续工艺制备GaN基DFB激光器芯片。

其中：

步骤P1的具体步骤为：

在GaN基激光器外延片L0上，清洗外延片为沉积掩膜作准备，利用丙酮、酒精、去离子水超声清洁，并用氮气枪吹干备用；利用PECVD沉积SiO₂掩膜层，SiO₂掩膜层厚为100nm；

步骤P2的具体步骤为：

将专用压印胶旋涂于上述备用的外延片表面，压印胶低速1500转每分钟旋涂15秒再6500转每分钟旋涂一分钟，并在热板上95摄氏度烘烤2分钟，利用纳米压印机实现从模板到外延片上的图形转移制作布拉格光栅，利用ICP刻蚀SiO₂制作布拉格光栅结构层，在基片上制备实现均匀的SiO₂布拉格光栅结构层L10，如图3所示，得到样品；然后将样品在110°C的热板上烘烤5min，然后放置于匀胶机的吸盘上，在样品表面涂布AZ6130光刻胶，启动匀胶机，匀胶机的前转速度600r/min，时间为5s，后转时间4000 r/min，时间为30s，再将匀胶后的样品放置于100°C的热板上烘烤120s，使用光刻机进行图形的制作，曝光时间为4.2s，显影40-45s，从而获得具有条形图样的样品，如图4所示，在基片与光栅结构垂直方向上实现具有周期性的条形图样，得到条形图样层L11；再将显影后的样品放置于功率为200W的等离子去胶机中2min，最后将样品置于110°C的热板上进行坚膜，时间为5min。

步骤P3的具体步骤为：

如图4所示，光刻胶形成的条形图样层L11与纳米压印制备的SiO₂布拉格光栅结构层L10作为复合掩膜结构进行刻蚀工艺，以Cl₂、Ar、BCl₃作为刻蚀气体进行GaN刻蚀工艺，将复合掩膜结构的图形转移至外延片表面形成GaN材料具有脊型的表面复合光栅结构层L12，刻蚀完成后进行清洁：1.使用硫酸和双氧水溶液水浴加热，去除光刻胶；2.使用BOE溶液去除残余SiO₂掩膜；3.利用丙酮、酒精、去离子水超声清洁，并用氮气枪吹干得到具有表面复合光栅结构的样品，如图5所示。

步骤P4 激光器制备工艺包含以下步骤：

1.p型电极的制备：在样品表面涂布AZ5214光刻胶，前转速度600r/min，时间为5s，后转速度4000 r/min，时间为30s，再将匀胶后的样品放置于95°C的热板上烘烤90s，使用光刻机制作脊型开口图形，曝光时间为1.8s，反转烘温度110°C，时间为80s，泛曝光时间为43s，显影43s，从而露出脊型表面的p型欧姆接触层，利用电子束蒸发镀制Pd/Pt/Au，通过丙酮浸泡4h后进行剥离，得到p型电极L13；再将样品在压缩空气的氛围下进行快速退火。

2.n型电极的制备：对样品的背面进行减薄抛光，减至120μm左右，然后在样品背面采用磁控溅射的方法镀制Ti/Pt/Au，从而得到n型电极L14；再将样品放入快速退火炉中在氮气的氛围下进行退火。

3.单管芯的分离：将样品通过金刚石划片加滚轮解离的方法解理成bar条；并将解理后bar条的前后腔面采用光学镀膜机分别镀制增透膜和高反膜，增透膜采用SiO₂材料，透过率为95%以上，高反膜材料使用Ta₂O₅/SiO₂多层重复结构，反射率为95%以上；再将bar条通过激光划片+裂片机的方法分离成单个管芯，如图6所示，从而完成GaN基DFB激光器的制备。

以上，对本发明的实施方案进行了说明。本发明不限于上述实施方式，凡在本发明的精神与原则范围内，所做的等同替、改进，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤P1，准备氮化镓基激光器的外延片，对外延片进行清洁后，在外延片上沉积形成SiO₂掩膜层；

步骤P2，利用纳米压印技术结合刻蚀工艺在外延片的SiO₂掩膜层上制备布拉格光栅结构层，在布拉格光栅结构层上利用光刻技术曝光制备条形图样层，条形图样层的条形图样与布拉格光栅方向相垂直，形成条形叠加布拉格光栅的复合掩膜结构；

步骤P3，以所述条形叠加布拉格光栅的复合掩膜结构为基础，刻蚀外延片氮化镓材料，形成具有脊型的表面复合光栅结构层，然后清洁残胶并腐蚀剩余的SiO₂掩膜，得到具有表面复合光栅结构的激光器外延片以备用；

步骤P4，基于具有表面复合光栅结构的激光器外延片，完成DFB激光器的制备工艺。

2.根据权利要求1所述的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于，所述外延片的横截面自下而上至少包括N型氮化镓自支撑衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、P型氮化镓基盖层。

3.根据权利要求2所述的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于，所述外延片采用金属有机化合物化学气相沉积法在N型氮化镓自支撑衬底上依次进行外延实现。

4.根据权利要求1所述的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于，步骤P1中，所述沉积采用等离子体增强化学的气相沉积法实现。

5.根据权利要求1所述的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于，步骤P2中，所述掩膜图形的布拉格光栅平行于外延片的解离面。

6.根据权利要求1所述的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于，步骤P2中，通过纳米压印机在纳米压印胶上实现图形转移，然后采用RIE刻蚀工艺或者ICP刻蚀工艺刻蚀SiO₂掩膜层得到SiO₂布拉格光栅结构层。

7.根据权利要求1所述的GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤P3中，以光刻胶与SiO₂布拉格光栅结构层共同作为掩膜，采用RIE刻蚀工艺或者ICP刻蚀工艺刻蚀外延片表面GaN材料，先后去除光刻胶、SiO₂及表面清洁备用。

8.根据权利要求1所述的GaN基表面布拉格光栅的DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤P4中所述激光器的制备工艺包括光刻、刻蚀、沉积SiO₂、制备电注入窗口、制作P型电极、衬底减薄抛光、制作n型电极、bar条解理、腔面镀膜和和单管分离。