專利名稱：吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及到吸收型增益耦合分布 反饋布拉格光柵的一種新型制作方法。關(guān)鍵點之一是引入氧化 物介質(zhì)薄膜充當(dāng)在半導(dǎo)體外延片表面制作布拉格光柵的掩模。
10由于氧化物介質(zhì)膜相對于光刻膠而言，在制作光柵的過程中更 穩(wěn)定，所以有利于靈活的控制所刻制光柵的形狀和深度。另一 關(guān)鍵點是，在外延片表面光柵刻制完成后，在保留氧化物介質(zhì) 布拉格光柵掩模的情況下，外延生長制作吸收型增益耦合分布 反饋布拉格光柵的吸收層。這樣做的好處在于根本上解決了在
15 刻制了光柵后的半導(dǎo)體表面外延生長時由于半導(dǎo)體材料的揮 發(fā)和遷移作用使得光柵形狀變平以及光柵形貌難以保持的難 題。本發(fā)明主要用于制作吸收型增益耦合分布反饋激光器。
背景技術(shù)：
20 分布反饋激光器是大容量長距離光纖通信系統(tǒng)中的主要 光源。分布反饋激光器激射時所需要的反饋不是由激光器的端 面的集中反射提供，而是由內(nèi)藏的布拉格光柵分布反饋提供
的。這種反饋作用使得有源層中前向傳播與后向傳播的光波發(fā) 生耦合。在兩束相反方向傳播的光波之間，只有滿足布拉格條 件的波長才會出現(xiàn)相干耦合，這 一 點使得分布反饋激光器具有 良好的單色性和穩(wěn)定性。分布反饋布拉格光柵主要有兩種反饋 5方式，即折射率周期性變化折射率耦合分布反饋布拉格光柵和 增益周期性變化的增益耦合分布反饋布拉格光柵。折射率分布 反饋光柵是在透明的分別限制層上刻制布拉格光柵，然后掩埋 填充層形成的，折射率耦合型分布反饋激光器在以布拉格波長 左右對稱的地方存在著兩個損耗相同且最低的模式，故原理上 10 講這種類型的激光器是雙縱模激射的。通常，增益耦合分布反 饋光柵是在有源區(qū)直接刻制布拉格光柵，然后掩埋填充層形成 的，可以實現(xiàn)單模激射。但是這種類型的增益耦合分布反饋光 柵容易給有源區(qū)帶來缺陷，降低了發(fā)光效率。如果將制作在分
別限制層上的傳統(tǒng)透明光柵改變成具有吸收作用的吸收型光 15 柵，則可以得到吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵。
吸收型增益耦合分布反饋光柵的制備過程中有兩個關(guān)鍵 的步驟。其一就是在半導(dǎo)體外延片上刻制所需要的布拉格光 柵，要求可以精確控制布拉格光柵的周期、深度以及形狀。一 般通過對涂在外延片表面的光刻膠曝光顯影得到布拉格光柵 20圖形，然后以光刻膠的布拉格光柵圖形作為掩模利用干濕法刻 蝕工藝在半導(dǎo)體外延片上刻制形成周期布拉格光柵。由于一般 光刻膠的抗干濕法刻蝕性能并不是十分好，所以在對半導(dǎo)體外
延片進行刻蝕的時候，所刻制布拉格光柵的深度和均勻性受到 限制，這一點不利于提高分布反饋激光器的性能。第二個關(guān)鍵 步驟是在刻制了布拉格光柵的外延片表面外延生長掩埋填充 層。由于在升溫過程中光柵表面的半導(dǎo)體化合物存在揮發(fā)遷移 5作用，所以布拉格光柵的深度變淺，形狀也會發(fā)生改變，這一 問題將嚴(yán)重影響光柵的反饋性能，甚至使得光柵失去反饋作 用。目前主要是通過改變在光柵表面的外延生長的條件來抑止
光柵表面的半導(dǎo)體化合物揮發(fā)(參考①J. Crystal Growth, 1998， Vol. 195， P. 503-509禾口②J. Crystal 10 Growth, 2 0 0 3， Vol. 248, P. 384-389 )。通過這
種途徑 一 般只能起到減緩光柵表面的半導(dǎo)體化合物揮發(fā)的作 用，如果想完全解決這個問題還有待改進。本發(fā)明主要目的就 是為了解決在制作分布反饋激光器布拉格光柵過程中上述兩 個關(guān)鍵步驟中存在的問題。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種吸收型增益耦合分布反饋布拉 格光柵的制作方法。引入氧化物介質(zhì)充當(dāng)在半導(dǎo)體外延片表面 刻制光柵的掩模。由于氧化物介質(zhì)掩模相對于光刻膠而言，在 20刻制光柵的過程中更穩(wěn)定，所以可以更好的控制所刻制光柵的 形狀和深度。另外，在外延片表面光柵刻制完成后，保留刻制 布拉格光柵時的氧化物介質(zhì)掩模，外延生長吸收型增益耦合分
布反饋布拉格光柵的吸收層。從而根本上解決了在刻制了光柵 的半導(dǎo)體表面外延生長吸收層時由于半導(dǎo)體化合物材料的揮 發(fā)和遷移效應(yīng)使得光柵變淺和光柵形貌難以保持的難題。
這種吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵制作方法的具 5體步驟描述如下-
本發(fā)明一種吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的制作 方法，其特征在于，包括如下步驟
(1 )在外延襯底上大面積沉積一層氧化物介質(zhì)薄膜；
(2 )在已經(jīng)沉積了氧化物介質(zhì)薄膜的外延片上涂一層光
10 刻膠；
(3 )將光刻膠曝光并顯影得到光刻膠的布拉格光柵掩
模；
(4 )以光刻膠布拉格光柵掩模充當(dāng)掩蔽，刻蝕氧化物介 質(zhì)薄膜，得到氧化物介質(zhì)的布拉格光柵掩模； 15 ( 5 )以光刻膠布拉格光柵掩模和氧化物介質(zhì)布拉格光柵
掩模一起充當(dāng)掩蔽，對半導(dǎo)體化合物進行刻蝕，在外延片上得 到布拉格光柵；
(6 )去掉外延片上的光刻膠布拉格光柵掩模，保留氧化 物介質(zhì)布拉格光柵掩模； 20 (7)在保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模的外延片上，外
延生長吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的吸收層，填充光
柵的低凹的部分；
(8 )去掉外延片上的氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模；
(9 )在生長了吸收層的外延片上二次外延依次生長下分
別限制層、有源區(qū)、上分別限制層、蓋層和接觸層。
5 其中氧化物介質(zhì)薄膜的厚度小于1 0 0納米。
其中外延襯底采用砷化鎵或者磷化銦化合物半導(dǎo)體材料。
其中氧化物介質(zhì)薄膜采用二氧化硅或者氮化硅材料。
其中將光刻膠曝光并顯影得到光刻膠的布拉格光柵掩模， 該曝光采用全息曝光技術(shù)或者電子束曝光技術(shù)。
10 其中的刻蝕是濕法和干法相結(jié)合對外延片進行刻，干法刻 蝕采用電子回旋共振等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者感應(yīng)耦 合等離子體刻蝕技術(shù)。
其中光刻膠的布拉格光柵掩模的周期和所需要的激射波 長對應(yīng)。
15 其中生長吸收層時，要求控制生長的時間，使得吸收層正
好填平前面刻制的布拉格光柵的低凹部分。
其中吸收層材料的能量帶隙要求小于設(shè)計的有源區(qū)激射 波長所對應(yīng)的能量帶隙。
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為了進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合附圖及實例對本
發(fā)明進行詳細(xì)的描述，其中
圖1是在外延片上沉積了氧化物介質(zhì)薄膜后的示意圖； 圖2是在外延片上涂了光刻膠后的示意圖； 圖3是刻制了光刻膠布拉格光柵掩模后的示意圖； 5 圖4是刻制了氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模后的示意圖； 圖5是在外延片表面刻制了布拉格光柵后的示意圖； 圖6是去掉光刻膠布拉格光柵掩模后的示意圖； 圖7是生長了吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的吸 收層后的示意圖； 10 圖8是去掉氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模后的示意圖； 圖9是二次外延后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1至圖9，本發(fā)明一種吸收型增益耦合分布反饋 15布拉格光柵的制作方法，包括如下步驟-
(1 )在外延襯底1上大面積沉積一層氧化物介質(zhì)薄膜2 (見圖l);該外延襯底1采用砷化鎵或者磷化銦化合物半導(dǎo) 體材料；該氧化物介質(zhì)薄膜2的厚度小于1 0 0納米，該氧化 物介質(zhì)薄膜2采用二氧化硅或者氮化硅材料；
20 ( 2 )在己經(jīng)沉積了氧化物介質(zhì)薄膜2的外延片上涂一層
光刻膠3(見圖2 );
(3 )將光刻膠曝光并顯影得到光刻膠的布拉格光柵掩模 4(見圖3);所述光刻膠曝光并顯影得到光刻膠的布拉格光 柵掩模4 ，該曝光釆用全息曝光技術(shù)或者電子束曝光技術(shù)；其 中光刻膠的布拉格光柵掩模4的周期和所需要的激射波長對 5應(yīng)；
(4 )以光刻膠布拉格光柵掩模4充當(dāng)掩蔽，刻蝕氧化物 介質(zhì)薄膜2 ，得到氧化物介質(zhì)的布拉格光柵掩模5 (見圖4 );
(5 )以光刻膠布拉格光柵掩模4和氧化物介質(zhì)布拉格光 柵掩模5 —起充當(dāng)掩蔽，對半導(dǎo)體化合物進行刻蝕，在外延片 io 上得到布拉格光柵6 (見圖5);其中的刻蝕是濕法和干法相 結(jié)合對外延片進行刻，干法刻蝕采用電子回旋共振等離子體刻 蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)；
(6)去掉外延片上的光刻膠布拉格光柵掩模4 (見圖 6)，保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模5 ;
15 (7)在保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模5的外延片上，
外延生長吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的吸收層7(見 圖7 )，填充光柵的低凹的部分；
(8)去掉外延片上的氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模5(見 圖8 );
20 ( 9 )在生長了吸收層7的外延片上二次外延依次生長下
分別限制層8 、有源區(qū)9 、上分別限制層1 0 、蓋層1 1和接 觸層1 2 (見圖9 )。
其中生長吸收層7時，要求控制生長的時間，使得吸收層 7正好填平前面刻制的布拉格光柵的低凹部分；該吸收層7材 料的能量帶隙要求小于設(shè)計的有源區(qū)激射波長所對應(yīng)的能量 帶隙。
實施例
請再參閱圖1至圖9所示
(1 )如圖1所示，在外延襯底1上大面積沉積一層二氧 化硅氧化物介質(zhì)薄膜2 。外延襯底1可以是砷化鎵或者磷化銦 10材料，實施例中選用磷化銦材料。氧化物介質(zhì)薄膜2可以采用 二氧化硅或者氮化硅材料，實施例中選用了二氧化硅。這一層
二氧化硅氧化物介質(zhì)薄膜2將用來制作布拉格光柵掩模。因為 二氧化硅氧化物介質(zhì)薄膜2相對于傳統(tǒng)的光刻膠3而言，在光
柵的刻制過程中更加穩(wěn)定，具有更好的掩蔽作用，可以刻制出
15 形貌合適的布拉格光柵。另外，由于化合物半導(dǎo)體很難在二氧
化硅介質(zhì)上生長，所以二氧化硅介質(zhì)的布拉格格光柵掩模5還
可以作為生長化合物半導(dǎo)體的掩模使用。二氧化硅氧化物介質(zhì)
薄膜2的厚度大小直接影響布拉格光柵的制作效果，一般小于 1 0 0納米，實施例中為2 0納米； 20 ( 2 )如圖2所示，在已經(jīng)沉積了二氧化硅氧化物介質(zhì)薄
膜2的外延片上甩膠，涂上一層光刻膠3 。這一層光刻膠3在
后面將用來制作布拉格光柵掩模4;(3 )如圖3所示，對外延片上的光刻膠3進行曝光并顯
影得到所需要的光刻膠的布拉格光柵掩模4 。曝光方法可以采
用全息曝光或者電子束曝光技術(shù)。全息曝光技術(shù)一次曝光只能 形成一種周期的光柵圖形，設(shè)備比較便宜。電子束曝光技術(shù)則
5 可以一次形成不同周期的光柵圖形，但是設(shè)備比較昂貴。此處
采用全息曝光技術(shù)。光柵周期與所需要的激射波長相對應(yīng)。此
處的光刻膠的布拉格光柵掩模4的質(zhì)量至關(guān)緊要，將被用來充 當(dāng)在氧化物介質(zhì)薄膜2上刻制光柵的掩模；
(4 )如圖4所示，以光刻膠布拉格光柵掩模4充當(dāng)掩蔽， 10濕法刻蝕二氧化硅氧化物介質(zhì)薄膜2 ，得到二氧化硅氧化物介 質(zhì)的布拉格光柵掩模5。因為二氧化硅氧化物介質(zhì)薄膜2的厚 度很小，在濕法腐蝕的過程中，需要做幾次試驗來確定最佳腐
蝕條件，才能得到合適的二氧化硅氧化物介質(zhì)的布拉格光柵掩 模。氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模5相對于光刻膠布拉格光柵掩
15模4而言，在刻制光柵的過程中更穩(wěn)定，所以可以更好的控制 所刻制光柵的形狀和深度；
(5 )如圖5所示，以光刻膠布拉格光柵掩模4和氧化物 介質(zhì)布拉格光柵掩模5—起充當(dāng)掩蔽，對半導(dǎo)體化合物進行刻 蝕，在外延片刻制出布拉格光柵6 。將干法刻蝕工藝和濕法刻
20 蝕工藝結(jié)合起來運用，有利于在半導(dǎo)體外延片上刻制得到高質(zhì) 量的布拉格光柵。干法刻蝕工藝可以選取反應(yīng)離子刻蝕工藝或 者電子回旋共振等離子體刻蝕工藝等諸多方法，此處選取電子
回旋共振等離子體刻蝕工藝。經(jīng)過干法刻蝕，得到布拉格光柵 的基本形貌后，將外延片放入濕法刻蝕溶液中浸泡 一 定的時 間，目的是使布拉格光柵表面變平滑。由于釆用了二氧化硅布 拉格光柵掩模，所以此處光柵的刻制深度可以更大，而且可以 5 保持很好的光柵形貌；
(6 )如圖6所示，去掉外延片上的光刻膠布拉格光柵掩 模4 ，保留二氧化硅氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模5 。保留的二 氧化硅氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模在外延生長吸收層時將充 當(dāng)掩蔽；
io (7)如圖7所示，在保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模5 的外延片上，外延生長吸收型增益耦合光柵的吸收層7，填充 布拉格光柵6的低凹部分。此處采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方 法生長吸收層7 。控制生長的時間，使得吸收層7正好填平前 面刻制的布拉格光柵6的低凹部分。吸收層7的能量帶隙小于
15設(shè)計的有源區(qū)激射波長所對應(yīng)的能量帶隙，具有一定的吸收作 用。實例中吸收層7為與襯底匹配的能量帶隙波長為1.32 微米的銦鎵砷磷材料，用于制作1 . 3微米激射波長的吸收型
增益耦合分布反饋激光器外延片。在升溫的過程中，由于二氧 化硅布拉格光柵介質(zhì)掩模5的保護作用，可以抑止半導(dǎo)體化合
20 物的揮發(fā)和遷移，使光柵保持原有的形貌。同時，由于化合物 半導(dǎo)體很難在氧化物介質(zhì)布拉格光柵5表面生長，而容易在化 合物半導(dǎo)體表面生長，所以吸收層7正好生長在布拉格光柵6
的低凹部分，得到理想的吸收型增益耦合分布反饋光柵結(jié)構(gòu)； (8)如圖8所示，去掉外延片上的氧化物介質(zhì)布拉格光 柵掩模5，準(zhǔn)備進行二次外延生長吸收型增益耦合分布反饋激
光器的有源區(qū)等部分； 5 ( 9 )如圖9所示，在生長了吸收層7的外延片上二次外
延依次生長下分別限制層8 、有源區(qū)9、上分別限制層l 0、 蓋層1 1和接觸層1 2 。實例中，下分別限制層8為與磷化銦 襯底匹配的鋁銦砷材料，有源區(qū)9為激射波長為1 . 3 1微米 的銦鎵鋁砷多量子阱結(jié)構(gòu)，上分別限制層1 0與磷化銦襯底匹 10配的鋁銦砷材料，蓋層1 1為p型磷化銦材料，接觸層1 2為 與磷化銦襯底匹配的P型重?fù)诫s銦鎵砷材料。至此內(nèi)含吸收型 增益耦合光柵的分布反饋激光器外延片就制作完成。
這種內(nèi)含吸收型增益耦合光柵的分布反饋激光器的特點 在于制作工藝簡單，無需端面抗反射膜；單模選擇性不受端 15 面反射率的影響，所以單模成品率提高；高速動態(tài)調(diào)制時頻率 展寬很小；具有單模超短光脈沖發(fā)生的能力。
本發(fā)明涉及到吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的一 種制作方法，其最重要的特點和意義有兩點其一是引入氧化 物介質(zhì)薄膜充當(dāng)在半導(dǎo)體外延片表面刻制光柵的掩模，由于氧 20化物介質(zhì)掩模相對于光刻膠掩模而言，在刻制光柵的過程中更 穩(wěn)定，所以可以更好的控制所刻制光柵的形狀和深度。另一點 在于，外延片表面光柵刻制完成后，在保留刻制布拉格光柵時
的氧化物介質(zhì)掩模的條件下，外延生長吸收型增益耦合分布反 饋布拉格光柵的吸收層，從而根本上解決了在刻制了光柵的半 導(dǎo)體表面外延生長吸收層時由于半導(dǎo)體化合物材料的揮發(fā)和 遷移效應(yīng)使得光柵變淺和光柵形貌難以保持的難題。
權(quán)利要求
1.一種吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在外延襯底上大面積沉積一層氧化物介質(zhì)薄膜；(2)在已經(jīng)沉積了氧化物介質(zhì)薄膜的外延片上涂一層光刻膠；(3)將光刻膠曝光并顯影得到光刻膠的布拉格光柵掩模；(4)以光刻膠布拉格光柵掩模充當(dāng)掩蔽，刻蝕氧化物介質(zhì)薄膜，得到氧化物介質(zhì)的布拉格光柵掩模；(5)以光刻膠布拉格光柵掩模和氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模一起充當(dāng)掩蔽，對半導(dǎo)體化合物進行刻蝕，在外延片上得到布拉格光柵；(6)去掉外延片上的光刻膠布拉格光柵掩模，保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模；(7)在保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模的外延片上，外延生長吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的吸收層，填充光柵的低凹的部分；(8)去掉外延片上的氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模；(9)在生長了吸收層的外延片上二次外延依次生長下分別限制層、有源區(qū)、上分別限制層、蓋層和接觸層。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉 格光柵的制作方法，其特征在于，其中氧化物介質(zhì)薄膜的厚度5 小于1 0 0納米。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉 格光柵的制作方法，其特征在于，其中外延襯底采用砷化鎵或 者磷化銦化合物半導(dǎo)體材料。
4 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉 io格光柵的制作方法，其特征在于，其中氧化物介質(zhì)薄膜采用二氧化硅或者氮化硅材料。
5 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉 格光柵的制作方法，其特征在于，其中將光刻膠曝光并顯影得 到光刻膠的布拉格光柵掩模，該曝光采用全息曝光技術(shù)或者電15 子束曝光技術(shù)。
6 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉 格光柵的制作方法，其特征在于，其中的刻蝕是濕法和干法相 結(jié)合對外延片進行刻，干法刻蝕采用電子回旋共振等離子體刻 蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)。
7 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的制作方法，其特征在于，其中光刻膠的布拉格光柵掩 模的周期和所需要的激射波長對應(yīng)。
8 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉 格光柵的制作方法，其特征在于，其中生長吸收層時，要求控 制生長的時間，使得吸收層正好填平前面刻制的布拉格光柵的 低凹部分。
9 、根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的制作方法，其特征在于，其中吸收層材料的能量 帶隙要求小于設(shè)計的有源區(qū)激射波長所對應(yīng)的能量帶隙。
全文摘要
一種吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的制作方法，包括如下步驟在外延襯底上大面積沉積一層氧化物介質(zhì)薄膜；再在外延片上涂一層光刻膠；曝光并顯影，得到氧化物介質(zhì)的布拉格光柵掩模；對半導(dǎo)體化合物進行刻蝕，在外延片上得到布拉格光柵；去掉外延片上的光刻膠布拉格光柵掩模，保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模；在保留氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模的外延片上，外延生長吸收型增益耦合分布反饋布拉格光柵的吸收層，填充光柵的低凹的部分；去掉外延片上的氧化物介質(zhì)布拉格光柵掩模；在生長了吸收層的外延片上二次外延依次生長下分別限制層、有源區(qū)、上分別限制層、蓋層和接觸層。
文檔編號G02B5/18GK101101345SQ200610089590
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者文 馮, 朱洪亮, 潘教青, 圩 王, 王寶軍, 趙玲娟 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所