CN110165551A - 一种降低dbr周期数的dbr低折射率层刻蚀方法 - Google Patents

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许并社
马淑芳
单恒升
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Abstract

本发明公开了一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，采用离子束刻蚀方法对垂直腔面发射激光器的DBR层中低折射率层进行介孔刻蚀，从而提高组成DBR两层折射率差，该方法操作简单，控制精准，能够保证获得介孔的尺度和精度，能够实现高反射率的同时，降低DBR的周期数。具体在纳米阵列器件制备过程中，采用了聚焦离子束切割设备对芯片进行了直接选区刻蚀，利用了聚焦离子束切割设备的优势，相对于干法刻蚀技术，减少了蒸镀保护层，能够避免干法刻蚀精度差所引起的损伤，而离子束刻蚀导致的辐照损伤也可以通过湿法腐蚀去除。本发明方法简单可控，能够保证获得介孔的尺度和精度，实现高反射率，低周期数的DBR。

Description

一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法。
背景技术
在VCSEL中，DBR是实现高性能激光输出的关键，也是加工制作的难点所在。由全反射原理，反射单元必须含有高/低两种不同折射率的材料，而VCSEL的DBR又必须在半导体衬底上晶格匹配地外延生长来实现。这就限制了不可能外延两种折射率差很大的材料来实现所需要的高反射率，取而代之的是能满足晶格匹配、折射率差适当、周期性地交替生长厚度为λ/(4n)(n为所生长材料的折射率)两种不同半导体材料的“反射堆”。早期的DBR不但起到反射腔镜的作用，还承担注入电流的通道作用。为得到良好的注入电流通道，这些半导体材料需要重掺杂，以减少串联电阻；另一方面，光在各层内进行时，还会有小的光吸收损耗。为得到高反射率，这种反射周期是一个大的数目。在DBR本身又是电流通道情况时，电流所产生的焦耳热将影响DBR的反射性和可靠性，因此组成DBR的材料还应有良好的导热特性。驻波场在向DBR深处进行过程中，其振幅依周期数衰减。
若DBR由N个周期组成，而每个周期含有两种折射率不同，厚度为λ/(4n)的半导体材料，则DBR的长度LDBR＝Nλ/(2n)，因而kLDBR＝NΔn/n，DBR振幅反射率表示为：
该式的物理意义在于，为使VCSEL的DBR的谐振腔有高的反射率，在保证晶格匹配外延生长条件下，组成布拉格周期的高/低折射率半导体材料的折射率差Δn尽可能大，以便以尽量少的周期数N得到同样高的反射率R。
短波长波段(850nm)的VECSEL较易实现，DBR可用AlGaAs或直接用GaAs作高折射率材料，AlAs作低折射率材料，可以得到高的相对折射率与之相适应的GaAlAs/GaAs量子阱，有源材料也相对成熟。因此短波长VCSEL已经很好进入实际应用。
相比之下，制造长波长1310nm和1550nm波段的VECSEL器件要困难许多。InGaAs和InP分别是长波长半导体激光器的有源区和衬底材料，如果将它们作为DBR中的高/低折射率材料时，Δn＜0.3。为了让DBR提供足够高的反射率，需要外延生长45～50个周期的DBR。这就要求外延设备有极高的稳定性和外延生长重复性以减少光衍射和散射损耗。而且生长如此多周期数耗时太长，原材料和成本急剧增加。若对低折射率层进行刻蚀，制备成介孔状结构，则具有介孔状InP的有效折射率neff为：
式中，为样品的孔隙度，这样具有介孔状低折射率InP的折射率会进一步降低，从而增加组成两种DBR材料的折射率差。因此，采用这种方式可以降低DBR的周期数，降低器件使用过程中产生的焦耳热，对提高VECSEL性能，降低其成本具有重要意义。
GaAs基半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)的上下布拉格反射镜(DBR)要求非输出端DBR的反射率尽量高(趋近1)，一般要求达到99％以上，以降低光的损耗。DBR又必须在半导体衬底上晶格匹配地外延生长来实现，这就限制了外延生长DBR的两种材料折射率差不大，因此要达到99％以上的反射率，需要生长的DBR周期数高达40个周期。高的DBR周期对数势必会增加生长工艺流程，增加器件的串联电阻，增加器件使用过程中产生的焦耳热。因此，如何在满足DBR反射率的前提下降低DBR的周期数是解决上述问题的关键。
对长波段1310nm和1550nm波段的VECSEL器件，组成DBR的两种材料折射率差较小Δn＜0.3，为了让DBR提供足够高的反射率，需要外延生长45～50个周期的DBR，加上对于长波段器件，每个周期厚度较厚，这就造成了生长的整个DBR总厚度较厚，这样就会增加源材料的损耗和外延生长时间，增加外延生长成本。同时厚的DBR会增加器件的串联电阻，产生更多的焦耳热，会严重降低器件的使用性能。
现有干法刻蚀方法，需要在刻蚀前蒸镀掩膜图形，光刻出需要刻蚀的图形，刻蚀完后还要对掩膜层进行湿法腐蚀去除。并且干法刻蚀精度低，难以获得均匀一致的阵列孔洞。电化学腐蚀方法的工艺参数窗口很小，较难以获得理想尺寸的阵列孔洞，且该方法还不能获得成熟的应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，采用的聚焦离子束进行刻蚀，具有刻蚀尺寸可控、均匀，操作简单，并且避免了蒸镀掩膜图形、光刻、湿法腐蚀的工艺步骤，工艺简单，其采用离子束进行刻蚀，刻蚀精度高，可以容易地获得理想尺寸的阵列图形。
本发明的技术方案是：一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，包括如下步骤：
步骤1：将垂直腔面发射激光器芯片放置到FIB(聚焦离子束切割系统)中的样品台上，令待刻蚀面朝上；
步骤2：利用FIB中的扫描电子显微镜(SEM)功能观察芯片，并将观察窗口调整到芯片中DBR区域，选取DBR区域中的低折射率层准备刻蚀；
步骤3：在需要刻蚀的低折射率层通过FIB的离子束绘制需要刻蚀的周期性的介孔状掩膜图形，以便根据绘制的图形通过离子束进行刻蚀；
步骤4：将离子束束流切换到大束流观察芯片，然后利用离子束对所绘制的图形区域刻蚀出具有介孔尺度的周期阵列；
步骤5：刻蚀完毕后，重复步骤3、步骤4再次对选取区域进行刻蚀，直至DBR的整个低折射率层形成介孔状，从而完成整个芯片的刻蚀；
步骤6：对完成刻蚀的芯片采用轻微湿法腐蚀去除离子束刻蚀对DBR造成的辐照损伤，完成制备。
在上述步骤1操作之前应将垂直腔面发射激光器芯片清洗干净。
上述步骤5中在整个芯片刻蚀完成后，关闭离子束源后取出芯片。
本发明的有益效果：本发明实施例中，提供了一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，采用离子束刻蚀方法对垂直腔面发射激光器的DBR层中低折射率层进行介孔刻蚀，从而提高组成DBR两层折射率差，该方法操作简单，控制精准，能够保证获得介孔的尺度和精度，能够实现高反射率的同时，降低DBR的周期数。具体在纳米阵列器件制备过程中，采用了聚焦离子束切割设备对芯片进行了直接选区刻蚀，利用了聚焦离子束切割设备的优势，相对于干法刻蚀技术，减少了蒸镀保护层，其工艺简单，刻蚀精度高，避免干法刻蚀精度差所引起的损伤，而离子束刻蚀导致的辐照损伤也可以通过湿法腐蚀去除。综上所述，本发明的介孔DBR制备方法工艺简单可控，能够保证获得介孔的尺度和精度，实现高反射率，低周期数的DBR。本发明中采用的聚焦离子束刻蚀减少了蒸镀掩膜图形、光刻、腐蚀等工艺步骤，其工艺简单，采用离子束进行刻蚀，刻蚀精度高，可以容易地获得理想尺寸的阵列图形。
附图说明
图1、本发明方法的低折射率层刻蚀成介孔状的效果图；
图2、15周期InGaAsP/InP DBR刻蚀前后获得的具有不同折射率差的反射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在VCSEL中，DBR是实现高性能激光输出的关键，也是加工制作的难点所在。为了增加组成DBR两种材料的折射率差，降低DBR的周期数和串联电阻，对DBR的低折射率膜层进行刻蚀，制备出介孔状结构，从而降低该层的折射率，提高组成DBR两层的折射率差，达到在满足反射率的前提下降低DBR的周期数的目的。现有干法刻蚀方法，需要在刻蚀前蒸镀掩膜图形，光刻出需要刻蚀的图形，刻蚀完后还要对掩膜层进行湿法腐蚀去除。并且干法刻蚀精度低，难以获得均匀一致的阵列孔洞。电化学腐蚀方法的工艺参数窗口很小，较难以获得理想尺寸的阵列孔洞，且该方法还不能获得成熟的应用。
为解决上述问题，本发明实施例提供了本发明提供了一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，包括如下步骤：
步骤1：将清洗干净的垂直腔面发射激光器芯片放置到FIB中的样品台上，令待刻蚀面朝上；
步骤2：利用FIB中的扫描电子显微镜(SEM)功能观察芯片，并将观察窗口调整到芯片中DBR区域，选取DBR区域中的低折射率层准备刻蚀；
步骤3：在需要刻蚀的低折射率层通过FIB的镓离子束绘制需要刻蚀的周期性的介孔状掩膜图形，以便根据绘制的图形通过离子束进行刻蚀；该步骤在具体操作时，采用在小束流20pA下开启聚焦离子束切割系统的电子扫描显微功能，对DBR的截面区域进行显微聚焦，然后再上升样品台，继续放大聚焦对截面进行观察，直至样品台上升到工作距离9mm时，通过观察显微图像，微调样品台的位置使待刻蚀的低折射率层保持在图像的中心，利用聚焦离子束切割系统中的绘图软件在所选刻蚀区域通过镓离子束绘制如图1所示直径为低折射率层厚度的周期阵列圆形，然后将离子束电流调至大束流状态5nA，对绘制的圆形区域进行选区刻蚀，刻蚀成如图1所示的周期阵列孔洞；本发明采用离子束来绘制需要刻蚀的周期性的介孔状掩膜图形相对于现有技术中采用光波进行光刻绘制周期性的介孔状掩膜图形，其绘制的图形精度更高，这是由于离子束的波长远远短于光波的波长，因此采用离子束绘制的精度更高。
步骤4：将离子束束流切换到大束流观察芯片，然后利用离子束对所绘制的图形区域刻蚀出具有介孔尺度的周期阵列；
步骤5：刻蚀完毕后，重复步骤3、步骤4再次对选取区域进行刻蚀，直至DBR的整个低折射率层形成介孔状，从而完成整个芯片的刻蚀，关闭离子束源，取出芯片；
步骤6：对完成刻蚀的芯片采用轻微湿法腐蚀去除离子束刻蚀对DBR造成的辐照损伤，完成制备。
本发明采用离子束刻蚀方法对垂直腔面发射激光器的DBR层中低折射率层进行介孔刻蚀，从而提高组成DBR两层折射率差，该方法操作简单，控制精准，能够保证获得介孔的尺度和精度，能够实现高反射率的同时，降低DBR的周期数。具体在纳米阵列器件制备过程中，采用了聚焦离子束切割设备对芯片进行了直接选区刻蚀，利用了聚焦离子束切割设备的优势，相对于干法刻蚀技术，减少了蒸镀保护层，能够避免干法刻蚀精度差所引起的损伤，而离子束刻蚀导致的辐照损伤也可以通过湿法腐蚀去除。本发明方法简单可控，能够保证获得介孔的尺度和精度，实现高反射率，低周期数的DBR。图1是本发明方法的低折射率层刻蚀成介孔状的效果示意图；图2是15周期InGaAsP/InP DBR刻蚀前后的反射率(Reflectance)曲线，可以看到，具有介孔状DBR的反射率相对于刻蚀前得到了明显的提高，对反射光波的波长(Wavelength)范围也明显展宽，这说明了采用本发明方法实现的介孔状DBR能够显著提高DBR的折射率。
综上所述，本发明提供的降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，采用离子束刻蚀方法对垂直腔面发射激光器的DBR层中低折射率层进行介孔刻蚀，从而提高组成DBR两层折射率差，该方法操作简单，控制精准，能够保证获得介孔的尺度和精度，能够实现高反射率的同时，降低DBR的周期数。具体在纳米阵列器件制备过程中，采用了聚焦离子束切割设备对芯片进行了直接选区刻蚀，利用了聚焦离子束切割设备的优势，相对于干法刻蚀技术，减少了蒸镀保护层，其工艺简单，刻蚀精度高，避免干法刻蚀精度差所引起的损伤，而离子束刻蚀导致的辐照损伤也可以通过湿法腐蚀去除。综上所述，本发明的介孔DBR制备方法工艺简单可控，能够保证获得介孔的尺度和精度，实现高反射率，低周期数的DBR。本发明中采用的聚焦离子束刻蚀减少了蒸镀掩膜图形、光刻、腐蚀等工艺步骤，其工艺简单，采用离子束进行刻蚀，刻蚀精度高，可以容易地获得理想尺寸的阵列图形。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将垂直腔面发射激光器芯片放置到FIB中的样品台上，令待刻蚀面朝上；
步骤2：利用FIB中的扫描电子显微镜功能观察芯片，并将观察窗口调整到芯片中DBR区域，选取DBR区域中的低折射率层准备刻蚀；
步骤3：在需要刻蚀的低折射率层通过FIB的离子束绘制需要刻蚀的周期性的介孔状掩膜图形，以便根据绘制的图形通过离子束进行刻蚀；
步骤4：将离子束束流切换到大束流观察芯片，然后利用离子束对所绘制的图形区域刻蚀出具有介孔尺度的周期阵列；
步骤5：刻蚀完毕后，重复步骤3、步骤4再次对选取区域进行刻蚀，直至DBR的整个低折射率层形成介孔状，从而完成整个芯片的刻蚀；
步骤6：对完成刻蚀的芯片采用轻微湿法腐蚀去除离子束刻蚀对DBR造成的辐照损伤，完成制备。
2.如权利要求1所述的一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，其特征在于，在步骤1操作之前应将垂直腔面发射激光器芯片清洗干净。
3.如权利要求1所述的一种降低DBR周期数的DBR低折射率层刻蚀方法，其特征在于，步骤5中在整个芯片刻蚀完成后，关闭离子束源后取出芯片。
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