DE4001726A1 - Verfahren zur herstellung von dfb-gittern mit um eine halbe gitterkonstante gegeneinander versetzten anteilen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her­ stellung von Gitterstrukturen, bei denen mindestens ein Be­ reich vorhanden ist, der gegenüber einer ursprünglich homogenen Gitterstruktur modifiziert ist. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Gitterstrukturen für Halbleiterbauelemente, wie z. B. Halbleiterlaser mit ver­ teilter Rückkopplung (DFB-Laser). Diese Laser zeichnen sich durch geringe Linienbreite, thermisch stabiles Betriebsver­ halten und longitudinale Einmodigkeit auch bei hoher Modulationsfrequenz aus. Eine große Ausbeute an dynamisch ein­ modigen Lasern wird erreicht, wenn in die DFB-Gitter erster Ordnung dieser DFB-Laser eine kontrollierte Phasenverschiebung um ein Viertel der Lichtwellenlänge in der Halbleiterstruktur eingebaut wird.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mittels holographischer Belichtung von Positv-negativ-Lackschichten einen solchen Pha­ sensprung in das Gitter einzubauen, indem Abschnitte, die ge­ geneinander um eine halbe Gitterperiode versetzt sind, in das Gitter eingebaut werden (K. Utaka, Electronics Letters 20, 1008 bis 1010 (1984)). Bei der Herstellung des Phasensprunges um eine viertel Wellenlänge mittels Positiv-negativ-Fotolack­ techniken werden Negativ-Fotolackstreifen ganzflächig mit einem positiven Lack überdeckt. Durch alternatives Belichten der gegeneinander versetzt auszubildenden Abschnitte des Gitters und unter Ausnutzung der unterschiedlichen Empfindlich­ keiten der Lacke gegenüber dem Licht wird der Sprung in dem Gitterabstand zur Ausbildung des Phasensprunges erreicht. Diese Methode zeigt Probleme wegen des Durchmischens der einzelnen Lacke untereinander. Dieses Mischen kann verhindert werden durch die Einführung einer durchsichtigen Zwischenschicht aus Siliziumnitrid (K. Utaka, IEEE J. of Quantum Electronics QE-22, 1042 (1986)). Ein weiteres Problem dieser Positiv-negativ- Lackmethode ist jedoch die gleichzeitige holographische Be­ lichtung beider Lacke, da diese Lacke verschiedene Licht­ sensitivitäten aufweisen. Die Einführung phasenschiebender optischer Elemente in den Strahlengang beim holographischen Belichten einer einfachen Fotolackschicht ermöglicht keine ge­ naue örtliche Festlegung des Phasensprungs. Ein weiteres Ver­ fahren ist in Electronics Letters 23, 1060 bis 1061 (1987) be­ schrieben. Unter Verwendung einer Zwischenschicht aus Silizium­ nitrid wird ein strukturierter Fotolack als Ätzmaske für einen Teil der Oberfläche des Halbleitermaterials und anschließend auf dem übrigen Anteil der Oberfläche die strukturierten An­ teile der Siliziumnitrid-Schicht als Ätzmaske verwendet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfachen Her­ stellungsprozeß für DFB-Gitter mit einem um eine halbe Gitter­ periode verschobenen Anteil anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 7.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein Halbleiterbauelement im Quer­ schnitt im Anschluß an vier verschiedene Schritte des er­ findungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Fig. 5 und 6 zeigen alternative Strukturen eines erfindungs­ gemäß hergestellten Gitters in der Aufsicht.

Fig. 7 zeigt ein Halbleiterbauelement im Querschnitt mit einem erfindungsgemäß hergestellten Gitter mit halbierter Gitterkonstante.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, daß beim Ätzen mittels Ionenstrahls die Gitterfurchen eines DFB-Gitters langsamer geätzt werden als das diese Gitterfurchen umgebende Material. Wird daher die Oberfläche einer Halbleiter­ schicht, die durch Gitterfurchen zu einem Gitter strukturiert ist, mit einem Ionenstrahl abgeätzt, bilden sich an den Stellen zwischen den Gitterfurchen Täler, während im Bereich der ur­ sprünglichen Gitterfurchen relativ mehr Halbleitermaterial stehenbleibt, so daß dort Erhebungen entstehen. Praktisch wird so das aus Furchen und dazwischenliegenden Erhebungen ge­ bildete Muster des Gitters umgekehrt. Eine mögliche Erklärung für diesen Umkehrungseffekt ist, daß sich aus der Oberfläche gelöstes Material bevorzugt in den Gitterfurchen amorph niederschlägt und dort dem Ionenstrahl als amorphe Schicht einen größeren Widerstand entgegensetzt als das ursprünglich als Schicht aufgewachsene Material. Damit dieser Umkehrprozeß der Gitterstruktur nicht wieder in sein Gegenteil umschlägt, darf die Zeitdauer, über die hinweg der Ätzprozeß durchgeführt wird, nicht zu groß bemessen sein. Es ist daher erforderlich, das Ionenstrahlätzen zu dem Zeitpunkt abzubrechen, zu dem das invertierte Gitter optimal ausgebildet ist. Eine weitere Möglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das Ionenstrahlätzen bereits so früh abzubrechen, daß an den Stellen der ursprünglichen Gitterfurchen bereits Erhebungen vorhanden sind, das zwischen diesen neuen Erhebungen befindliche Material aber noch nicht gänzlich rückgeätzt ist, so daß die ursprünglichen Erhebungen auch noch zumindest teil­ weise vorhanden sind. Damit erhält man ein Gitter, das die doppelte Zahl von Erhebungen bzw. Tälern aufweist und daher die halbe Gitterkonstante des ursprünglichen Gitters hat. Wegen der erneuten Anlagerung von herausgelöstem Material lassen sich die durch Ionenstrahlätzen hergestellten Erhebungen an ihrer Struktur von mit anderen Verfahren hergestellten Er­ hebungen unterscheiden.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein DFB-Gitter im Querschnitt dar­ gestellt und gezeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren an­ gewendet wird, um einen Abschnitt dieses DFB-Gitters um eine halbe Gitterperiode zu verschieben. An den Grenzen dieser gegeneinander versetzten Abschnitte ergibt sich dann im Betrieb des Bauelementes ein Phasensprung um eine viertel Wellenlänge.

ln Fig. 1 ist ein Schichtanteil 8 des Halbleitermaterials mit freier Oberfläche dargestellt. Das DFB-Gitter 1 wird durch in der Oberfläche dieses Schichtanteiles 8 ausgebildete Gitter­ furchen 9 gebildet. Derjenige Teil des DFB-Gitters 1, der in seiner ursprünglichen Struktur erhalten bleiben soll, wird mit einer Maske 2 abgedeckt (Fig. 2). Der zu modifizierende Teilbe­ reich 5 des DFB-Gitters 1 wird mit Hilfe eines Ionenstrahls 3 geätzt. In der Fig. 2 ist eingezeichnet, daß dieser Ionen­ strahl 3 in einem von 0 verschiedenen Einfallswinkel 7 auf die Oberfläche des Halbleiterbauelementes auftrifft. Wenn das Halb­ leiterbauelement um diesen Einfallswinkel 7 relativ zur Richtung des Ionenstrahles 3 geneigt ist und um eine zu diesem Ionenstrahl parallele Achse rotiert wird, ändert sich die Einfallsrichtung des Ionenstrahles 3 bei gleichbleibendem Ein­ fallswinkel 7. Nach einer halben Umdrehung entspricht die Einfallsrichtung des Ionenstrahles 3 den gestrichelt einge­ zeichneten Pfeilen. Es ist auch möglich, den Ionenstrahl 3 senkrecht auftreffen zu lassen, der Einfallswinkel 7 ist dann 0.

Bei diesem Ätzschritt werden die chemische Zusammensetzung des Ionenstrahles 3, dessen Stärke, d. h. die pro Zeiteinheit und Fläche einfallende Zahl von Partikeln, und dessen Richtung durch geeignete Wahl des Ätzgases und der Beschleunigungs­ spannung so eingestellt, daß im Verlauf des Ätzprozesses sich das Oberflächenprofil einstellt, was qualitativ in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt ist. Der Schichtanteil 8 ist durch das Ätzen in seiner Schichtdicke vermindert; der verbleibende Schichtanteil 8′ hat an seiner Oberfläche an den Stellen, wo ursprünglich die Gitterfurchen 9 verliefen, Erhebungen 10. Zwischen diesen Erhebungen 10 ist das Halbleitermaterial so weit ausgeätzt, daß diese Erhebungen 10 ein weiteres DFB-Gitter bilden. Der Ätzprozeß darf nicht zu lange ausgeführt werden, damit die Erhebungen 10 nicht so weit abgetragen werden, daß eine wirkungsvolle Funktion dieses modifizierten Gitters nicht mehr gewährleistet ist. Im An­ schluß an diesen Ätzprozeß ist daher in dem zu modifizierenden Teilbereich 5 des DFB-Gitters 1 die Gitterstruktur invertiert: Wo ursprünglich Gitterfurchen verliefen, verlaufen jetzt Er­ hebungen und umgekehrt. ln dem komplementären Bereich 4, der mit der Maske 2 abgedeckt ist, ist aber die ursprüngliche Gitterstruktur des DFB-Gitters 1 erhalten. Man bekommt so gegeneinander um eine halbe Gitterperiode versetzte Ab­ schnitte. Um diese Abschnitte auf gleiches Niveau zu bringen, wird die Maske 2 entfernt und der geätzte Bereich des Schicht­ anteiles 8 mit einer weiteren Maske 6 abgedeckt. Der nun freiliegende komplementäre Bereich 4 des DFB-Gitters 1 wird dann naßchemisch geätzt, wie in Fig. 4 dargestellt (Pfeile 12). Dabei wird die Gitterstruktur im Gegensatz zu dem Ionenstrahlätzen nicht invertiert. Die Gitterstruktur bleibt erhalten, ist aber gegenüber der gestrichelt eingezeichneten ursprünglichen Struktur der Oberfäche auf die Höhe des ver­ bleibenden Schichtanteiles 8′ abgesenkt. Damit erhält man ein modifiziertes DFB Gitter, das vollständig in einer Ebene liegt.

ln den Fig. 5 und 6 sind in Aufsicht zwei verschiedene Aus­ führungsformen der modifizierten Gitterstruktur dargestellt, wobei der Verlauf der Erhebungen jeweils durch Linien be­ zeichnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung von Gitter­ strukturen erster Ordnung aus einem DFB-Gitter zweiter Ordnung, d. h. die Gitterkonstante des ursprünglichen Gitters wird halbiert. Zu diesem Zweck wird der Ätzschritt an einem Zeit­ punkt abgebrochen, an dem das Profil der Oberfläche des ver­ bliebenen Schichtanteiles 8′ etwa die in Fig. 7 dargestellte Gestalt hat. Es haben sich Erhebungen 10 an den Stellen der ursprünglichen Gitterfurchen herausgebildet, während das zwischen diesen Gitterfurchen befindliche Material nur etwa auf Höhe dieser Erhebungen 10 rückgeätzt worden ist. Aus der ursprünglichen Strukturierung der Oberfläche ergibt sich, daß von diesem Material in der Mitte zwischen zwei neu entstandenen Erhebungen 10 mehr Material stehenbleibt als in unmittelbarer Nähe dieser Erhebungen 10. Auf diese Weise erhält man jeweils in der Mitte zwischen zwei Erhebungen 10 eine weitere Erhebung 11, wie in Fig. 7 eingezeichnet. Wenn diese Erhebungen 10 und diese weiteren Erhebungen 11 in etwa die gleiche Höhe erreicht haben, bricht man den Ätzprozeß ab. Auf diese Weise erhält man ein neues DFB-Gitter mit der halben Gitterkonstanten. Die zwischen den Erhebungen 10 und weiteren Erhebungen 11 befindlichen Gitterfurchen sind niedriger, als die ursprüng­ lichen Gitterfurchen, so daß man beim Anwenden dieses Ver­ fahrens zweckmäßig von einem DFB-Gitter 1 mit dementsprechend tieferen Gitterfurchen ausgeht. Die Intensität und chemische Zusammensetzung des Ionenstrahles muß auch bei dieser Variante des Herstellungsverfahrens an die Abmessungen des ur­ sprüngliche DFB-Gitters 1 und die chemische Zusammensetzung des Halbleitermateriales angepaßt werden.

Dieses Verfahren ist besonders bei kurzwelligen Materialsystemen (Gitterperiode 100 nm und darunter, Gitterperiode = halbe Lichtwellenlänge geteilt durch Brechungsindex des Materials) vorteilhaft. Bei diesen Materialsystemen können nämlich Gitter erster Ordnung nur noch mit dem sehr aufwendigen Elektronen­ strahlschreiben hergestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei geeigneter Wahl der Ätzdauer die Gitter­ konstante eines holographisch hergestellten Gitters zweiter Ordnung halbiert und so ein Gitter erster Ordnung auf einfache Weise hergestellt werden. Typische Gitterperioden, für die das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von DFB-Gittern mit Phasensprung besonders vorteilhaft ist, liegen zwischen 100 nm und 300 nm.

Claims (8)

1. Verfahren zur Modifizierung eines DFB-Gitters (1) in einem Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Teilbereich (5) dieses DFB-Gitters (1) mittels Ionenstrahls (3) geätzt wird und
daß dieses Ätzen so vorgenommen wird, daß in diesem Teilbereich (5) Erhebungen (10) an den Stellen der ursprünglichen Gitter­ furchen (9) stehenbleiben und daß diese Erhebungen (10) eine für ein DFB-Gitter ausreichende Abmessung aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (5) von einem restlichen Bereich des DFB- Gitters (1) durch mindestens eine senkrecht zu den Gitterfurchen (9) verlaufende Linie getrennt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (5) von einem restlichen Bereich des DFB- Gitters (1) durch mindestens eine parallel zu den Gitterfurchen (9) verlaufende Linie getrennt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zu dem Teilbereich (5) komplementärer Be­ reich (4) des DFB-Gitters (1) so abgeätzt wird, daß der Verlauf der Erhebungen in diesem komplementären Bereich (4) entsprechend dem ursprünglichen DFB-Gitter (1) erhalten bleibt und diese Gitterstruktur in dem komplementären Bereich (4) bis auf die Höhe des geätzten Teilbereiches (5) abgesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Gitterkonstante (13) des DFB-Gitters (1) zwischen 100 nm und 300 nm liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Gitterkonstante (13) des DFB-Gitters (1) weniger als 100 nm beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ätzen so durchgeführt wird, daß in dem Teilbereich (5) zusätzlich zu den Erhebungen (10) weitere Erhebungen (11) stehen bleiben und
daß die Gesamtheit dieser Erhebungen (10) und dieser weiteren Erhebungen (11) ein weiteres DFB-Gitter mit der halben Gitter­ konstanten des ursprünglichen DFB-Gitters (1) bildet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung einer Gitterstruktur mit um eine halbe Gitterkonstante gegen­ einander versetzten Anteilen, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zu dem Teilbereich (5) komplementärer Bereich (4) des DFB-Gitters (1) mit einer Maske (2) abgedeckt wird,
daß der Teilbereich (5) mittels Ionenstrahls (3) geätzt wird,
so daß Erhebungen (10) an den Stellen der ursprünglichen Gitterfurchen (9) stehenbleiben und
daß anschließend die Maske (2) entfernt wird.