CN113991422A - 一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的dfb激光器制作方法 - Google Patents

一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的dfb激光器制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，包括：S1：在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，得到预设几何形状的波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶得到预设几何形状的波导结构的衬底；S2：在得到的衬底上沉积一层低折射率绝缘薄膜；S3：在绝缘薄膜层上沉积高折射率介质薄膜；S4：在介质薄膜上进行光刻制备出侧壁光栅形貌的光刻胶图形；S5：在步骤S4得到的光刻胶图形上进行介质薄膜的进行刻蚀与去胶，制备出激光器的介质侧壁光栅，进而制备DFB激光器。本发明解决了无刻蚀截止层的激光器外延材料侧壁光栅的高重复性制备，实现了确定性光栅耦合系数的DFB激光器。

Description

一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器 制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法。
背景技术
传统工业化批量生产的分布反馈式(DFB)激光器，是先制备顶部光栅后，再进行二次外延的方法进行制备，这样方法制备的DFB激光器一旦制备光栅制备完成后，波长与间隔无法再做后期调整，且二次外延容易带来缺陷，导致非辐射复合和载流子泄漏等，从而降低激光器性能。侧壁刻蚀光栅可以在外延材料生长后，根据外延材料的特性对光栅进行微调，并实行连续相邻的激光器输出不同波长即多波长激光器阵列，充分考虑外延材料的特性。这种激光器阵列可以显著降低多个激光器的封装尺寸和封装成本，提高封装精度，有利于光模块等需要精确对准激光输出的应用。
另一方面，也有通过单次曝光波导与侧壁光栅的制备方法。但由于DFB侧壁光栅特征尺寸要求较小，因此该光栅区域在进行干法刻蚀过程中等离子体扩散进入和反应产物扩散离开时间加长，导致光栅区域刻蚀深度与整体波导外刻蚀深度相差较大即存在刻蚀footing现象(约200～300nm)，严重影响波导边缘核心光栅区域的形貌。要实现高反馈强度下的单模激射，对刻蚀深度有严苛的要求。刻蚀深度过低会导致反馈强度弱，使得单模特性弱；刻蚀深度过高，因为footing，边缘位置的刻蚀界面将延伸到有源层区域，出现大量表面态和缺陷，从而导致阈值增大，功率降低，出现跳模的现象。梯形脊波导通过调节光刻胶形貌和等离子体刻蚀工艺，可以将刻蚀侧壁角度从90°调整为60～85°，并将footing降低到100nm以下，从而可以精确控制刻蚀深度，改善侧壁边缘光栅形貌，实现光栅反馈强度的精准调控。
此外，对于侧壁光栅，也有用金属光栅来制备的方案。该方案主要是通过曝光光栅的光刻胶图案，然后蒸镀金属，最后剥离光刻胶上的金属来制备的。而对于密集精细的的一阶光栅(光栅特征宽度约100nm)，金属光栅往往难以高质量稳定地剥离，工艺稳定性较差，次品率高。同时，金属光栅对于光吸收比较强，导致阈值增大，输出功率降低，斜率效率较低。
现有技术中，公开号为：CN108808442A的中国发明专利，于2018年11月13日公开了一种多波长分布反馈半导体激光器阵列及制备方法，其中，多波长分布反馈半导体激光器阵列包括：光栅、波导和输出光腔面，其中，光栅为侧向耦合表面光栅，波导为脊波导，腔面为刻蚀形成的腔面。该方案虽然涉及分布反馈式半导体激光器，但其解决的是现有的侧向耦合表面光栅DFB激光器阵列易受FP纵模谐振腔式干扰、纵模选择能力弱、波长控制难以兼顾准确性、低成本和横模分布一致性的矛盾的问题，并未涉及确定性耦合系数的光栅设计及工艺的优化。
发明内容
本发明为克服上述现有的DFB激光器阵列设计的灵活度不够，无法实现确定性光栅耦合系数的DFB激光器的缺陷，提供一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，包括以下步骤：
S1：在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，得到预设几何形状波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶得到预设几何形状的波导结构的衬底；
S2：在步骤S1得到的衬底上沉积一层低折射率绝缘薄膜；
S3：在绝缘薄膜层上沉积高折射率介质薄膜；
S4：在介质薄膜上进行光刻制备出侧壁光栅形貌的光刻胶图形；
S5：在步骤S4得到的光刻胶图形上进行介质薄膜的刻蚀与去胶，制备出激光器的介质侧壁光栅，利用介质侧壁光栅制备DFB激光器。
进一步地，步骤S1中通过干法刻蚀与去胶得到预设几何形状的波导结构的衬底为零footing的、确定几何尺寸的波导结构衬底，所述的预设几何形状为正梯形，预设几何形状波导结构的衬底其波导结构的正梯形内角的角度为60～85°，此角度有利于角落footing的高度<100nm，同时有利于更准确的估算光栅耦合系数。
进一步地，步骤S1的具体过程为：
在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，通过控制曝光工艺或后处理方式，得到预设几何形波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶，得到零footing的，可确定尺寸的预设几何形波导结构的衬底。
进一步地，步骤S1所述的无刻蚀截止层的激光器外延衬底包括GaAs基、GaSb基及GaN激光器材料。
进一步地，预设几何形波导形貌的光刻胶图形的角度为：60～80°，控制曝光工艺参数和后处理方式包括曝光剂量、显影时间、后烘reflow或等离子体干法处理。
进一步地，所述的干法刻蚀工艺参数包括工艺气体流量、压强、等离子体浓度、偏压大小或样品温度。
进一步地，步骤S2中沉积的绝缘薄膜厚度<50nm，沉积的绝缘薄膜为低折射率介质材料，所述低折射率介质材料的折射率小于2。
进一步地，步骤三中，步骤S3中沉积的介质薄膜小于300mm,沉积的介质薄膜为高折射率介质材料,沉积介质薄膜为高折射率介质材料，所述高折射率介质材料的折射率大于2。
进一步地，在步骤S4中所述的光栅设计包括光栅周期，占空比，光栅长度以及脊波导位置光栅尺寸修正，调试曝光工艺则包括整体曝光剂量调试和局部剂量优化。
进一步地，在步骤S5中制备的介质侧壁光栅是一阶或者三阶光栅。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过引入介质侧壁光栅，避免了传统掩埋结构光栅需要二次外延带来的工艺复杂度及污染的风险。进一步提高了DFB激光器阵列设计的灵活度，有利于外延片的利用度和多波长阵列的实现；同时解决了无刻蚀截止层的激光器外延材料侧壁光栅的高重复性制备，实现了确定性光栅耦合系数的DFB激光器。
附图说明
图1为本发明确定性光栅耦合系数的DFB激光器结构示意图。
图2为本发明一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法流程图。
图3为本发明实施例低footing的正梯形倾斜波导结构覆盖光刻胶的SEM图。
图4为本发明实施例侧壁光栅形貌的光刻胶图形SEM图。
图5为本发明实施例得到的DFB激光器介质光栅(以非晶硅为例)结构SEM图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，包括以下步骤：
S1：在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，得到预设几何形波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶得到预设几何形波导结构的衬底；如图3所示。
需要说明的是，在一个具体的实施例中所述预设几何形可以为正梯形，则具体的处理过程为：在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，通过控制曝光工艺或后处理方式，得到正梯形波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶，得到零footing的，可确定尺寸的正梯形波导结构的衬底，所述得到的零footing的波导结构将用于准确估算DFB激光器的光栅耦合系数。如图3所示。
需要说明的是，设计正梯形波导结构获得零footing波导，通过确定尺寸，有利于确定光栅与有源区光场的相互作用。
步骤S1所述的无刻蚀截止层的激光器外延衬底包括GaAs基、GaSb基及GaN激光器材料，由于分离限制层中含有Al元素，在刻蚀中无法准确地截止于有源区的上方。
进一步地，预设几何形波导形貌的光刻胶图形的角度为：60～80°，控制曝光工艺参数和后处理方式包括曝光剂量、显影时间、后烘reflow或等离子体干法处理；
所述预设几何形波导结构的衬底其波导结构正梯形内角的角度为60～85°，此角度有利于角落footing的高度<100nm，也有利于更准确估算光栅耦合系数。
进一步地，所述的干法刻蚀工艺参数包括工艺气体流量、压强、等离子体浓度、偏压大小或样品温度。
S2：在步骤S1得到的衬底上沉积一层低折射率绝缘薄膜；
需要说明的是，在本步骤中沉积的绝缘薄膜厚度<50nm，，沉积的绝缘薄膜为低折射率介质材料，所述低折射率介质材料的折射率小于2，有利于光栅与有源区光场的耦合，进而对其进行调制。
S3：在绝缘薄膜层上沉积高折射率介质薄膜；
需要说明的是，步骤S3中沉积的介质薄膜小于300mm,沉积的介质薄膜为高折射率介质材料，例如非晶硅及富硅氮化硅等，所述高折射率介质材料的折射率大于2。
本发发明通过引入高折射率介质材料(如非晶硅、富硅氮化硅等)，提高了工艺可制备的精度，规避了金属光栅引入的吸收损耗。
S4：在介质薄膜上进行光刻制备出侧壁光栅形貌的光刻胶图形；如图4所示。
所述的光栅设计包括光栅周期，占空比，光栅长度以及脊波导位置光栅尺寸修正，调试曝光工艺则包括整体曝光剂量调试和局部剂量优化。
S5：在步骤S4得到的光刻胶图形进行刻蚀与去胶，制备出激光器的介质侧壁光栅，利用介质侧壁光栅制备DFB激光器。如图5所示。
在步骤S5中制备的非晶硅光栅是一阶或者三阶光栅，由于波导的尺寸可确定，介质光栅的尺寸可确定，便可制备确定性光栅耦合系数的激光器器件，在一个具体的实施例中可以采用现有的工艺流程将得到的介质侧壁光栅用于制备DFB激光器，所述的现有的工艺流程包括：平整化、P面电极制备、衬底减薄、N面电极制备、退火形成欧姆接触。
本发明提出的介质侧壁光栅是通过刻蚀形成的，可以获得高质量精细稳定的一阶和三阶光栅，可以实现密集波分复用的超小光栅周期间隔(相邻波长光栅特征尺寸<2nm)。
本发明解决了无刻蚀截止层的激光器外延材料(GaAs、GaSb、GaN基)侧壁光栅的高重复性制备，实现了确定性光栅耦合系数的DFB激光器，进一步提高了DFB激光器阵列设计的灵活度，有利于外延片的利用度和多波长阵列的实现。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，得到预设几何形波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶得到预设几何形状的波导结构的衬底；
S2：在步骤S1得到的衬底上沉积一层低折射率绝缘薄膜；
S3：在绝缘薄膜层上沉积高折射率介质薄膜；
S4：在介质薄膜上进行光刻制备出侧壁光栅形貌的光刻胶图形；
S5：在步骤S4得到的光刻胶图形上进行介质薄膜的刻蚀与去胶，制备出激光器的介质侧壁光栅，利用介质侧壁光栅制备DFB激光器。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，步骤S1中通过干法刻蚀与去胶得到预设几何形状的波导结构的衬底为零footing的、确定几何尺寸的波导结构衬底，所述的预设几何形状为正梯形，预设几何形状波导结构的衬底其波导结构的正梯形内角的角度为60～85°，此角度有利于角落footing的高度<100nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，步骤S1的具体过程为：
在无刻蚀截止层的激光器外延衬底上进行光刻，通过控制曝光工艺或后处理方式，得到预设几何形波导形貌的光刻胶图形，然后进行干法刻蚀与去胶，得到零footing的，可确定尺寸的预设几何形波导结构的衬底。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，步骤S1所述的无刻蚀截止层的激光器外延衬底包括GaAs基、GaSb基及GaN激光器材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，预设几何形波导形貌的光刻胶图形的角度为：60～80°，控制曝光工艺参数和后处理方式包括曝光剂量、显影时间、后烘reflow或等离子体干法处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，所述的干法刻蚀工艺参数包括工艺气体流量、压强、等离子体浓度、偏压大小或样品温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，步骤S2中沉积的绝缘薄膜厚度<50nm，沉积的绝缘薄膜为低折射率介质材料，所述低折射率介质材料的折射率小于2。
8.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，步骤S3中沉积的介质薄膜小于300mm,沉积的介质薄膜为高折射率介质材料，所述高折射率介质材料的折射率大于2。
9.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，在步骤S4中所述的光栅设计包括光栅周期，占空比，光栅长度以及脊波导位置光栅尺寸修正，调试曝光工艺则包括整体曝光剂量调试和局部剂量优化。
10.根据权利要求1所述的一种基于介质侧壁光栅的确定性光栅耦合系数的DFB激光器制作方法，其特征在于，在步骤S5中制备的介质侧壁光栅是一阶或者三阶光栅。
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