专利名称：双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种可用于量子级联激光器掩埋双周期光栅的制作方法。
背景技术：
半导体光电子器件中小周期(ΙμΜ以下)光栅制作通常有全息曝光和电子束曝光两种方法。全息曝光法是利用两束波长一致的相干光以一定的夹角入射到衬底表面形成明暗相间的干涉条纹，并通过表面涂有的光刻胶记录下这些干涉图样，经过显影后就可以形成具有均匀周期的光刻胶光栅掩膜，然后通过刻蚀工艺(湿法或者干法刻蚀)将光栅图形转移到衬底表面。全息曝光系统具备设备简单，成本低，曝光周期任意可调，适宜大面积制作光栅。但是单次全息曝光仅可制作单一周期的均匀光栅，无法制备类似于双周期光栅的复杂结构光栅。电子束曝光法是利用一束半径一定强度可调的电子束按照光栅周期扫描光刻胶，显影得到光栅掩膜图形，经过刻蚀后得到光栅图形。电子束曝光法制备的光栅精度高，可以实现复杂的光栅结构，但是系统昂贵，扫描写入速度慢，并且每次曝光面积有限，需要利用精密的激光定位方法多次拼接来制备大面积光栅，多次对版引入的误差会影响光栅质量，不适宜大面积批量化生产光栅。目前国内外对于双周期光栅的研究很多。应用物理快报(Appl.Phys.Lett.1992Vol612437)曾报道过一篇双周期光栅用于展宽中红外量子阱探测器响应光谱，在这篇文章中双周期光栅采用电子束曝光的方法制作，光栅形貌完整。但这种方法代价昂贵，耗时繁琐，且不能大面积制作双周期光栅。专利CN101625440A中借助保护层来制作双周期光栅(取样光栅)，该方法首先在衬底涂上一层光刻胶，然后借助取样光栅光刻板曝出需要制作光栅的区域，显影后再涂上一层光刻胶，利用全息曝光制作出小周期光栅，刻蚀去胶后便得到双周期光栅图形。该方法需要借助电子书曝光制版，同时要用到曝光机，且步骤繁琐，无形中增加了光栅制作成本，器件成品率不高。专利CN101604050A中采用一次全息曝光，一次光刻板曝光的方法制备双周期取样光栅，需要额外用到光刻机，工艺步骤复杂，成本过高。量子级联激光器自1994年由贝尔实验室发明以来，经过近二十年世界范围内众多科学工作者的不懈努力，性能不断突破，已在多波长实现室温连续大功率输出。分布反馈选频机制可以实现激光器单模工作，作为分布反馈激光器的核心部件-光栅，其制作工艺就显得尤为重要。按照光栅在波导层的位置可以将其分为表面光栅和掩埋光栅，表面光栅即在波导层顶部制作光栅，掩埋光栅则是在激光器有源区顶部制作。掩埋光栅虽然工艺较表面光栅复杂，需要进行二次外延，但相比表面光栅具备得天独厚的优势，由于介质光栅材料掺杂浓度低，上光限制层掺杂为4X IO16CnT3,中红外波段(4 μ m至10 μ m)模式损耗小，易实现激射，早期分布反馈量子级联激光器(激射波长4.6 μ m，7.8 μ m，8.3 μ m，9.6 μ m)实现室温连续工作均采用掩埋光栅结构。可是量子级联激光器的腔长较长(2_左右)，耦合强度(耦合系数与腔长之积)过大，激光器工作在过耦合状态，不利于大功率输出。双周期光栅应用于量子级联激光器掩埋光栅结构中，根据量子电子学报(IEEEJ.QUANTUM.ELECT.1993Vol.291824)和量子电子选题学报(IEEEJ.SEL.TOP.QUANT.1995Vol.1341)中所示依据转移矩阵理论计算得出的光栅耦合系数与大周期光栅占空比(As/Ay2)呈正比，过大的占空比可以实现更低耦合系数，但也会使得大周期光栅所引入的梳妆反射谱间隔缩短，不易实现单模激射。通过合理的优化设计大周期的占空比，既可以实现除激射模式以外的超模式的抑制，又可以获得近于优化值(I至2)的耦合强度，从而实现掩埋光栅量子级联激光器单模大功率输出。该发明具备工艺简单，成本低廉，适于大面积批量化制备等优势。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，该方法利用两次设计周期略微有差别的全息曝光来实现双周期光栅的制备，从而降低折射率耦合光栅的耦合系数，通过合理设计，有助于掩埋光栅量子级联激光器单模大功率输出。本发明提供一种采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，包括如下步骤:步骤1:在半导体衬底上依次外延生长下波导层、下光限制层、激光器有源区和上光限制层，获得有光限制层结构的量子级联激光器外延芯片；步骤2:对外延芯片进行清洗；步骤3:在外延芯片表面均匀涂光刻胶；步骤4:采用全息曝光的方法，对光刻胶进行相应剂量和不同台面夹角的两次曝光;步骤5:对曝光处理后的外延芯片进行显影定形，得到光刻胶光栅图形；步骤6:将外延芯片进行坚膜处理，然后利用等离子去胶机去除残留的光刻胶；步骤7:以光刻胶光栅图形为掩膜腐蚀外延芯片，将光栅图形转移至光限制层上；步骤8:利用有机溶剂清洗掉光刻胶光栅图形，制备出双周期光栅，完成制备。本方法与现有的半导体器件制备工艺相互兼容，采用易操作成本低廉的全息曝光系统，通过两次不同周期的全息曝光，实现双周期光栅的制备。工艺步骤简单，成品率高，可以得到性能稳定的大功率单模量子级联激光器。
为了进一步说明本发明的技术特征，以下结合附图及实施例对本发明做一详细的描述，其中:图1为本发明的制备流程图；图2至图7为本发明各步骤制作的双周期光栅的结构示意图；图8为双全息曝光原理图，依次进行两次周期略微差别的全息曝光，在光刻胶涂层上形成双周期光强分布；
图9为两次曝光时间之比不同形成的双周期光栅结构示意图；图10为不同大光栅周期下耦合系数变化示意图。
具体实施例方式请参阅图1及图2至图6所示，本发明提供一种采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，包括如下步骤:步骤1:在半导体衬底I上依次外延生长下波导层2、下光限制层3、激光器有源区4和上光限制层5，获得有光限制层结构的量子级联激光器外延芯片(参阅图2)；所述的半导体衬底I为η型掺杂InP衬底，厚度为350μπι吗，掺杂浓度为I X IO17Cm 3 至 2 X IO17Cm 3 ；其中所述下波导层2为η型掺杂InP材料,厚度为1.3 μ m至1.5 μ m,掺杂浓度为
2.2X 1016cm_3至3X IO16Cm-3,下光限制层3和上光限制层5的材料为η型掺杂InGaAs材料，厚度为300nm，掺杂浓度为4 X IO16cnT3 ；其中所述激光器有源区4的周期数为25-40，每个周期为InGaAs/AlInAs的多量子阱结构，采用晶格匹配结构或者应变补偿结构；步骤2:对外延芯片进行清洗；其中所述的清洗为沸腾水浴下依次进行3遍丙酮清洗，每次时间为3分钟，3遍乙醇清洗，每次时间为5分钟，从水浴中取出后用去离子水冲洗30遍，再用氮气枪吹干表面；步骤3:在外延芯片表面均匀涂光刻胶6 (参阅图3)；其中所述光刻胶6为S1805光刻胶和稀释剂丙二醇甲醚醋酸酯，其体积比为I: 1，匀胶机转速4000转/分钟，胶厚130nm，然后放置在温度为80摄氏度的烘箱内30分钟；步骤4:采用全息曝光的方法，对光刻胶6进行相应剂量和不同台面夹角的两次曝光(参阅图4)；其中所述全息曝光的方法是采用的激光器为He-Cd气体激光器；步骤5:对曝光处理后的外延芯片进行显影定形，得到光刻胶光栅图形61 (参阅图
5)；其中所述显影定形，采用的显影液为四甲基氢氧化铵溶液和去离子水的混合溶液，其体积比为1: 6;步骤6:将外延芯片进行坚膜处理，然后利用等离子去胶机去除残留的光刻胶6 ；其中所述坚膜处理为放置在温度为120摄氏度的烘箱内30分钟；步骤7:以光刻胶光栅图形61为掩膜腐蚀外延芯片，将光栅图形转移至光限制层5上(参阅图6)；其中所述以光刻胶光栅图形61为掩膜腐蚀外延芯片所采用的腐蚀液为磷酸、双氧水和水,其体积比为1:1:6;步骤8:利用有机溶剂清洗掉光刻胶光栅图形61，制备出双周期光栅51，完成制备(参阅图7)；其中所述有机溶剂为丙酮和乙醇，先用丙酮去除光刻胶，然后用乙醇溶解残留丙酮，再用去离子水冲洗干净。
图8为双全息曝光原理图，依次进行两次周期略微差别的全息曝光，在光刻胶6上形成双周期光强分布，对于两束周期不同的正弦光强，周期为L1的光强表达式
权利要求
1.一种采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，包括如下步骤: 步骤1:在半导体衬底上依次外延生长下波导层、下光限制层、激光器有源区和上光限制层，获得有光限制层结构的量子级联激光器外延芯片； 步骤2:对外延芯片进行清洗； 步骤3:在外延芯片表面均匀涂光刻胶； 步骤4:采用全息曝光的方法，对光刻胶进行相应剂量和不同台面夹角的两次曝光； 步骤5:对曝光处理后的外延芯片进行显影定形，得到光刻胶光栅图形； 步骤6:将外延芯片进行坚膜处理，然后利用等离子去胶机去除残留的光刻胶； 步骤7:以光刻胶光栅图形为掩膜腐蚀外延芯片，将光栅图形转移至光限制层上； 步骤8:利用有机溶剂清洗掉光刻胶光栅图形，制备出双周期光栅，完成制备。
2.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述的半导体衬底为η型掺杂InP衬底。
3.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述下波导层为InP材料，下光限制层和上光限制层的材料为InGaAs。
4.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述激光器有源区的周期数为25-40，每个周期为InGaAs/AlInAs的量子阱结构。
5.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述全息曝光的方法是采用气体激光器。
6.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述光刻胶为S1805光刻胶和稀释剂丙二醇甲醚醋酸酯，其体积比为1:1。
7.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述对曝光处理后的外延芯片进行显影定形，采用的显影液为四甲基氢氧化铵溶液和去离子水的混合溶液，其体积比为1: 6。
8.根据权利要求1所述的采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，其中所述以光刻胶光栅图形为掩膜腐蚀外延芯片所采用的腐蚀液为磷酸、双氧水和水，其体积比为1:1:6。
全文摘要
一种采用双全息曝光制备量子级联激光器掩埋双周期光栅方法，包括如下步骤步骤1在半导体衬底上依次外延生长下波导层、下光限制层、激光器有源区和上光限制层，获得有光限制层结构的量子级联激光器外延芯片；步骤2对外延芯片进行清洗；步骤3在外延芯片表面均匀涂光刻胶；步骤4采用全息曝光的方法，对光刻胶进行相应剂量和不同台面夹角的两次曝光；步骤5对曝光处理后的外延芯片进行显影定形，得到光刻胶光栅图形；步骤6将外延芯片进行坚膜处理，然后利用等离子去胶机去除残留的光刻胶；步骤7以光刻胶光栅图形为掩膜腐蚀外延芯片，将光栅图形转移至光限制层上；步骤8利用有机溶剂清洗掉光刻胶光栅图形，制备出双周期光栅，完成制备。
文档编号H01S5/12GK103091778SQ20131002876
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者姚丹阳, 张锦川, 闫方亮, 刘俊岐, 王利军, 刘峰奇, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所