CN111370995A - 表面光栅半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

表面光栅半导体激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种表面光栅半导体激光器及其制作方法，包括如下步骤：在衬底上依次生长缓冲层、量子阱层、包层及接触层；在接触层上沉积SiN层，并制作SiN光栅掩模；在SiN光栅掩模及裸露的接触层上沉积SiO2层；在SiO2层上涂覆光刻胶，并制作光刻胶脊型条掩模；利用干法刻蚀技术去除光刻胶脊型条掩模外的SiO2层及SiN光栅掩模；利用选择性腐蚀SiO2层，使SiO2层发生侧向腐蚀形成SiO2脊波导掩模；去除光刻胶，在SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模的保护下利用干法刻蚀技术刻蚀接触层及包层，完成脊波导及表面光栅制作。本发明的器件位于脊波导两侧的表面光栅可采用普通光刻工艺实现，有利于降低器件制作成本。

Description

表面光栅半导体激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种表面光栅半导体激光器及其制作方法。
背景技术
引入分布反馈光栅结构是获得单模工作的半导体激光器的重要手段，这种激光器称为分布反馈(DFB)激光器。以InGaAsP/InP材料体系为例，常规的DFB激光器光栅位于InGaAsP量子阱及InP包层材料之间。为完成器件制作需要两次MOCVD外延生长，即第一次生长中获得量子阱材料，制作光栅后在第二次外延中生长InP包层材料。为简化器件制作流程，人们开发了具有表面光栅结构的DFB激光器。这种器件量子阱及包层材料可以在单次外延中生长完成，之后制作位于器件脊型波导两侧的表面光栅。虽然制作工艺相对简单，但在宽度较小的脊型波导两侧制作光栅对加工精度的要求很高。因此，多数表面光栅激光器采用电子束曝光技术制作，但是这种设备价格昂贵，加工耗时长，不利于器件的批量生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种表面光栅半导体激光器及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一方面，提供了一种表面光栅半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上依次形成缓冲层、量子阱层、包层及接触层；步骤2：在接触层之上形成SiN层，将所述SiN层制作为间隔分布的多个SiN窄条，且相邻SiN窄条之间的接触层裸露，形成SiN光栅掩模；步骤3：在所述SiN光栅掩模及裸露的接触层之上形成SiO2层；步骤4：在所述SiO2层之上涂覆光刻胶，并形成光刻胶脊型条掩模，所述光刻胶脊型条掩模沿所述多个SiN窄条的分布方向呈条形延伸；步骤5：在所述光刻胶脊型条掩模的保护下利用干法刻蚀技术去除所述光刻胶脊型条掩模之外的SiO2层及SiN光栅掩模；步骤6：选择性腐蚀所述光刻胶脊型条掩模下的SiO2层，使所述SiO2层发生侧向腐蚀而形成SiO2脊波导掩模，且在所述SiO2脊波导掩模的两侧裸露出部分的所述SiN光栅掩模；步骤7：去除光刻胶后，在所述SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模的保护下利用干法刻蚀技术刻蚀所述接触层及包层，完成脊型波导及表面光栅制作；步骤8：在去除所述SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模后，得到表面光栅半导体激光器。
作为本发明的另一个方面，提供了一种利用如上所述的表面光栅半导体激光器的制作方法制成的表面光栅半导体激光器。
从上述技术方案可以看出，本发明的表面光栅半导体激光器及其制作方法具有以下有益效果：
(1)本发明结合使用两种干法刻蚀掩模，即SiN光栅掩模和SiO2脊波导掩模，使器件位于脊波导两侧的表面光栅可采用普通光刻工艺实现，有利于降低器件制作成本；
(2)分别选用SiN和SiO2作为掩模材料，确保腐蚀形成SiO2脊波导掩模时具有较高的选择性，在形成两种掩模过程中对激光器结构影响较小。
附图说明
图1为本发明的表面光栅半导体激光器的制作方法的流程示意图；
图2为本发明实施例在刻蚀接触层及包层前的激光器截面结构示意图；
图3为本发明实施例在选择性腐蚀SiO2层前后的激光器俯视结构示意图；
图4为采用本发明实施例制作的表面光栅激光器的脊型波导及表面光栅的扫描电镜图。
上述附图中，附图标记含义如下：
10、InP衬底； 20、InP缓冲层； 30、InGaAsP量子阱层；
40、InP包层； 50、InGaAs接触层； 60、SiN窄条；
70、SiO2层； 80、光刻胶脊型条掩模。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种表面光栅半导体激光器及其制作方法，采用普通光刻工艺实现位于脊波导两侧的表面光栅的制作，有利于降低器件制作成本。
具体而言，作为本发明的示例性实施例，提供了一种表面光栅半导体激光器及其制作方法。请参阅图1，以InP基材料体系为例，但并不局限于此，还可是其他材料体系如硅基材料体系等，该表面半导体激光器的制作方法，包含如下步骤：
(1)在衬底上依次形成缓冲层、量子阱层、包层及接触层。
本实施例中，如图2-3所示，在InP衬底10上依次生长InP缓冲层20、InGaAsP量子阱层30、InP包层40及InGaAs接触层50；其中InGaAsP量子阱层包括InGaAsP下限制层、InGaAsP量子阱及InGaAsP下限制层；各功能层的厚度为本领域的常规设置，且不是本发明的创新点，故在此不作赘述。
(2)在接触层之上形成SiN层，将SiN层制作为间隔分布的多个SiN窄条，且相邻SiN窄条之间的接触层裸露，形成SiN光栅掩模。
本实施例中，在InGaAs接触层50之上沉积SiN层，厚度例如可为5～2000nm，并不局限于此；利用全息曝光技术将SiN层制作为光栅掩模，其由多个SiN窄条60构成，SiN窄条60之间InGaAs接触层50裸露，如图2所示。全息曝光技术已为本领域所熟知，且不是本发明的创新点，故在此不作赘述。其制作的光栅掩模可以是均匀周期光栅掩模，也可以是取样光栅掩模，具体根据实际需要进行选择。
(3)在SiN光栅掩模及裸露的接触层之上形成SiO2层；
本实施例中，在SiN光栅掩模以及InGaAs接触层50上沉积SiO2层70，厚度例如可为50～3000nm，并不局限于此。
(4)在SiO2层之上涂覆光刻胶，并形成光刻胶脊型条掩模，该光刻胶脊型条掩模沿多个SiN窄条的分布方向呈条形延伸；
本实施例中，在SiO2层70之上涂覆光刻胶，通过曝光、显影、固化、刻蚀等常规光刻工艺而制作光刻胶脊型条掩模80，宽度为W。
(5)在光刻胶脊型条掩模的保护下利用干法刻蚀技术去除光刻胶脊型条掩模之外的SiO2层及SiN光栅掩模；
本实施例中，基于干法刻蚀技术的各向异性刻蚀，可以较为精确地控制刻蚀终点，并获得陡直的材料侧壁，该干法刻蚀技术包括但不限于反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振等离子体刻蚀或离子溅射刻蚀等。可选地，在光刻胶脊型条掩模的保护下采用CF4及Ar混合气体的电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀先去除光刻胶脊型条掩模80之外的SiO2层70，再利用SF6的电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀去除光刻胶脊型条掩模80之外的SiN光栅掩模。此时，多个SiN窄条60的宽度为W，其被宽度为W的SiO2层70以及光刻胶脊型条掩模80覆盖，如图3的左图所示。
(6)选择性腐蚀光刻胶脊型条掩模下的SiO2层，使SiO2层发生侧向腐蚀而形成SiO2脊波导掩模，且在SiO2脊波导掩模的两侧裸露出部分的SiN光栅掩模；
本实施例中，在光刻胶脊型条掩模80的保护下利用HF溶液选择性腐蚀SiO2层70，由于光刻胶脊型条掩模80的存在使SiO2层发生侧向腐蚀，SiO2层单侧侧蚀深度为e，两侧e相等，e的大小可由腐蚀时间控制。采用HF溶液具有较好的腐蚀选择比，腐蚀过程中SiN光栅掩模的宽度保持为W不变，或稍有减小。腐蚀后SiO2层70的宽度为R＝W-2e，即形成SiO2脊波导掩模，如图3的右图所示。
(7)去除光刻胶后，在SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模的保护下利用干法刻蚀技术刻蚀所述接触层及包层，完成脊型波导及表面光栅制作；
本实施例中，去除光刻胶后的器件如图3的右图所示，在SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模的保护下利用反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振等离子体刻蚀或离子溅射刻蚀等干法刻蚀技术刻蚀InGaAS接触层50及InP包层40至深度h，完成脊型波导及表面光栅制作。
(8)在去除SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模后，得到表面光栅半导体激光器。
本实施例所制作的表面光栅半导体激光器的波导结构如图4所示。可以看出，宽为R的SiO2脊波导掩模70下方的半导体材料受到掩模的保护未被刻蚀，形成宽为R的激光器的脊波导。在SiN光栅掩模的SiN窄条60的保护下在半导体材料中形成位于脊波导两侧的宽度为e的表面光栅。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种表面光栅半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次形成缓冲层、量子阱层、包层及接触层；
步骤2：在接触层之上形成SiN层，将所述SiN层制作为间隔分布的多个SiN窄条，且相邻SiN窄条之间的接触层裸露，形成SiN光栅掩模；
步骤3：在所述SiN光栅掩模及裸露的接触层之上形成SiO2层；
步骤4：在所述SiO2层之上涂覆光刻胶，并形成光刻胶脊型条掩模，所述光刻胶脊型条掩模沿所述多个SiN窄条的分布方向呈条形延伸；
步骤5：在所述光刻胶脊型条掩模的保护下利用干法刻蚀技术去除所述光刻胶脊型条掩模之外的SiO2层及SiN光栅掩模；
步骤6：选择性腐蚀所述光刻胶脊型条掩模下的SiO2层，使所述SiO2层发生侧向腐蚀而形成SiO2脊波导掩模，且在所述SiO2脊波导掩模的两侧裸露出部分的所述SiN光栅掩模；
步骤7：去除光刻胶后，在所述SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模的保护下利用干法刻蚀技术刻蚀所述接触层及包层，完成脊型波导及表面光栅制作；
步骤8：在去除所述SiO2脊波导掩模及SiN光栅掩模后，得到表面光栅半导体激光器。
2.根据权利要求1所述的表面光栅半导体激光器的制作方法，其中，所述SiN光栅掩模为均匀周期光栅或取样光栅的掩模。
3.根据权利要求1所述的表面光栅半导体激光器的制作方法，其中，利用全息曝光技术将所述SiN层制作成SiN光栅掩模。
4.根据权利要求1所述的表面光栅半导体激光器的制作方法，其中：
利用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀来分别去除所述光刻胶脊型条掩模之外的SiO2层及SiN光栅掩模。
5.根据权利要求1所述的表面光栅半导体激光器的制作方法，其中，利用HF溶液选择性腐蚀所述光刻胶脊型条掩模下的SiO2层。
6.根据权利要求1所述的表面光栅半导体激光器的制作方法，其中，通过腐蚀时间控制所述SiO2层侧向腐蚀的深度。
7.根据权利要求1所述的表面光栅半导体激光器的制作方法，其中，利用反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振等离子体刻蚀或离子溅射刻蚀的方式刻蚀所述接触层及包层。
8.一种利用如权利要求1至7中任一项所述的表面光栅半导体激光器的制作方法制成的表面光栅半导体激光器。
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