专利名称：吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及到吸收型增益耦合分布 反馈布拉格光栅的一种新型制作方法。关键点之一是引入氧化 物介质薄膜充当在半导体外延片表面制作布拉格光栅的掩模。
10由于氧化物介质膜相对于光刻胶而言，在制作光栅的过程中更 稳定，所以有利于灵活的控制所刻制光栅的形状和深度。另一 关键点是，在外延片表面光栅刻制完成后，在保留氧化物介质 布拉格光栅掩模的情况下，外延生长制作吸收型增益耦合分布 反馈布拉格光栅的吸收层。这样做的好处在于根本上解决了在
15 刻制了光栅后的半导体表面外延生长时由于半导体材料的挥 发和迁移作用使得光栅形状变平以及光栅形貌难以保持的难 题。本发明主要用于制作吸收型增益耦合分布反馈激光器。
背景技术：
20 分布反馈激光器是大容量长距离光纤通信系统中的主要 光源。分布反馈激光器激射时所需要的反馈不是由激光器的端 面的集中反射提供，而是由内藏的布拉格光栅分布反馈提供
的。这种反馈作用使得有源层中前向传播与后向传播的光波发 生耦合。在两束相反方向传播的光波之间，只有满足布拉格条 件的波长才会出现相干耦合，这 一 点使得分布反馈激光器具有 良好的单色性和稳定性。分布反馈布拉格光栅主要有两种反馈 5方式，即折射率周期性变化折射率耦合分布反馈布拉格光栅和 增益周期性变化的增益耦合分布反馈布拉格光栅。折射率分布 反馈光栅是在透明的分别限制层上刻制布拉格光栅，然后掩埋 填充层形成的，折射率耦合型分布反馈激光器在以布拉格波长 左右对称的地方存在着两个损耗相同且最低的模式，故原理上 10 讲这种类型的激光器是双纵模激射的。通常，增益耦合分布反 馈光栅是在有源区直接刻制布拉格光栅，然后掩埋填充层形成 的，可以实现单模激射。但是这种类型的增益耦合分布反馈光 栅容易给有源区带来缺陷，降低了发光效率。如果将制作在分
别限制层上的传统透明光栅改变成具有吸收作用的吸收型光 15 栅，则可以得到吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅。
吸收型增益耦合分布反馈光栅的制备过程中有两个关键 的步骤。其一就是在半导体外延片上刻制所需要的布拉格光 栅，要求可以精确控制布拉格光栅的周期、深度以及形状。一 般通过对涂在外延片表面的光刻胶曝光显影得到布拉格光栅 20图形，然后以光刻胶的布拉格光栅图形作为掩模利用干湿法刻 蚀工艺在半导体外延片上刻制形成周期布拉格光栅。由于一般 光刻胶的抗干湿法刻蚀性能并不是十分好，所以在对半导体外
延片进行刻蚀的时候，所刻制布拉格光栅的深度和均匀性受到 限制，这一点不利于提高分布反馈激光器的性能。第二个关键 步骤是在刻制了布拉格光栅的外延片表面外延生长掩埋填充 层。由于在升温过程中光栅表面的半导体化合物存在挥发迁移 5作用，所以布拉格光栅的深度变浅，形状也会发生改变，这一 问题将严重影响光栅的反馈性能，甚至使得光栅失去反馈作 用。目前主要是通过改变在光栅表面的外延生长的条件来抑止
光栅表面的半导体化合物挥发(参考①J. Crystal Growth, 1998， Vol. 195， P. 503-509禾口②J. Crystal 10 Growth, 2 0 0 3， Vol. 248, P. 384-389 )。通过这
种途径 一 般只能起到减缓光栅表面的半导体化合物挥发的作 用，如果想完全解决这个问题还有待改进。本发明主要目的就 是为了解决在制作分布反馈激光器布拉格光栅过程中上述两 个关键步骤中存在的问题。
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发明内容
本发明的目的是提供一种吸收型增益耦合分布反馈布拉 格光栅的制作方法。引入氧化物介质充当在半导体外延片表面 刻制光栅的掩模。由于氧化物介质掩模相对于光刻胶而言，在 20刻制光栅的过程中更稳定，所以可以更好的控制所刻制光栅的 形状和深度。另外，在外延片表面光栅刻制完成后，保留刻制 布拉格光栅时的氧化物介质掩模，外延生长吸收型增益耦合分
布反馈布拉格光栅的吸收层。从而根本上解决了在刻制了光栅 的半导体表面外延生长吸收层时由于半导体化合物材料的挥 发和迁移效应使得光栅变浅和光栅形貌难以保持的难题。
这种吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅制作方法的具 5体步骤描述如下-
本发明一种吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的制作 方法，其特征在于，包括如下步骤
(1 )在外延衬底上大面积沉积一层氧化物介质薄膜；
(2 )在已经沉积了氧化物介质薄膜的外延片上涂一层光
10 刻胶；
(3 )将光刻胶曝光并显影得到光刻胶的布拉格光栅掩
模；
(4 )以光刻胶布拉格光栅掩模充当掩蔽，刻蚀氧化物介 质薄膜，得到氧化物介质的布拉格光栅掩模； 15 ( 5 )以光刻胶布拉格光栅掩模和氧化物介质布拉格光栅
掩模一起充当掩蔽，对半导体化合物进行刻蚀，在外延片上得 到布拉格光栅；
(6 )去掉外延片上的光刻胶布拉格光栅掩模，保留氧化 物介质布拉格光栅掩模； 20 (7)在保留氧化物介质布拉格光栅掩模的外延片上，外
延生长吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的吸收层，填充光
栅的低凹的部分；
(8 )去掉外延片上的氧化物介质布拉格光栅掩模；
(9 )在生长了吸收层的外延片上二次外延依次生长下分
别限制层、有源区、上分别限制层、盖层和接触层。
5 其中氧化物介质薄膜的厚度小于1 0 0纳米。
其中外延衬底采用砷化镓或者磷化铟化合物半导体材料。
其中氧化物介质薄膜采用二氧化硅或者氮化硅材料。
其中将光刻胶曝光并显影得到光刻胶的布拉格光栅掩模， 该曝光采用全息曝光技术或者电子束曝光技术。
10 其中的刻蚀是湿法和干法相结合对外延片进行刻，干法刻 蚀采用电子回旋共振等离子体刻蚀、反应离子刻蚀或者感应耦 合等离子体刻蚀技术。
其中光刻胶的布拉格光栅掩模的周期和所需要的激射波 长对应。
15 其中生长吸收层时，要求控制生长的时间，使得吸收层正
好填平前面刻制的布拉格光栅的低凹部分。
其中吸收层材料的能量带隙要求小于设计的有源区激射 波长所对应的能量带隙。
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为了进一步说明本发明的内容，下面结合附图及实例对本
发明进行详细的描述，其中
图1是在外延片上沉积了氧化物介质薄膜后的示意图； 图2是在外延片上涂了光刻胶后的示意图； 图3是刻制了光刻胶布拉格光栅掩模后的示意图； 5 图4是刻制了氧化物介质布拉格光栅掩模后的示意图； 图5是在外延片表面刻制了布拉格光栅后的示意图； 图6是去掉光刻胶布拉格光栅掩模后的示意图； 图7是生长了吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的吸 收层后的示意图； 10 图8是去掉氧化物介质布拉格光栅掩模后的示意图； 图9是二次外延后的外延片的结构示意图。
具体实施例方式
请参阅图1至图9，本发明一种吸收型增益耦合分布反馈 15布拉格光栅的制作方法，包括如下步骤-
(1 )在外延衬底1上大面积沉积一层氧化物介质薄膜2 (见图l);该外延衬底1采用砷化镓或者磷化铟化合物半导 体材料；该氧化物介质薄膜2的厚度小于1 0 0纳米，该氧化 物介质薄膜2采用二氧化硅或者氮化硅材料；
20 ( 2 )在己经沉积了氧化物介质薄膜2的外延片上涂一层
光刻胶3(见图2 );
(3 )将光刻胶曝光并显影得到光刻胶的布拉格光栅掩模 4(见图3);所述光刻胶曝光并显影得到光刻胶的布拉格光 栅掩模4 ，该曝光釆用全息曝光技术或者电子束曝光技术；其 中光刻胶的布拉格光栅掩模4的周期和所需要的激射波长对 5应；
(4 )以光刻胶布拉格光栅掩模4充当掩蔽，刻蚀氧化物 介质薄膜2 ，得到氧化物介质的布拉格光栅掩模5 (见图4 );
(5 )以光刻胶布拉格光栅掩模4和氧化物介质布拉格光 栅掩模5 —起充当掩蔽，对半导体化合物进行刻蚀，在外延片 io 上得到布拉格光栅6 (见图5);其中的刻蚀是湿法和干法相 结合对外延片进行刻，干法刻蚀采用电子回旋共振等离子体刻 蚀、反应离子刻蚀或者感应耦合等离子体刻蚀技术；
(6)去掉外延片上的光刻胶布拉格光栅掩模4 (见图 6)，保留氧化物介质布拉格光栅掩模5 ;
15 (7)在保留氧化物介质布拉格光栅掩模5的外延片上，
外延生长吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的吸收层7(见 图7 )，填充光栅的低凹的部分；
(8)去掉外延片上的氧化物介质布拉格光栅掩模5(见 图8 );
20 ( 9 )在生长了吸收层7的外延片上二次外延依次生长下
分别限制层8 、有源区9 、上分别限制层1 0 、盖层1 1和接 触层1 2 (见图9 )。
其中生长吸收层7时，要求控制生长的时间，使得吸收层 7正好填平前面刻制的布拉格光栅的低凹部分；该吸收层7材 料的能量带隙要求小于设计的有源区激射波长所对应的能量 带隙。
实施例
请再参阅图1至图9所示
(1 )如图1所示，在外延衬底1上大面积沉积一层二氧 化硅氧化物介质薄膜2 。外延衬底1可以是砷化镓或者磷化铟 10材料，实施例中选用磷化铟材料。氧化物介质薄膜2可以采用 二氧化硅或者氮化硅材料，实施例中选用了二氧化硅。这一层
二氧化硅氧化物介质薄膜2将用来制作布拉格光栅掩模。因为 二氧化硅氧化物介质薄膜2相对于传统的光刻胶3而言，在光
栅的刻制过程中更加稳定，具有更好的掩蔽作用，可以刻制出
15 形貌合适的布拉格光栅。另外，由于化合物半导体很难在二氧
化硅介质上生长，所以二氧化硅介质的布拉格格光栅掩模5还
可以作为生长化合物半导体的掩模使用。二氧化硅氧化物介质
薄膜2的厚度大小直接影响布拉格光栅的制作效果，一般小于 1 0 0纳米，实施例中为2 0纳米； 20 ( 2 )如图2所示，在已经沉积了二氧化硅氧化物介质薄
膜2的外延片上甩胶，涂上一层光刻胶3 。这一层光刻胶3在
后面将用来制作布拉格光栅掩模4;(3 )如图3所示，对外延片上的光刻胶3进行曝光并显
影得到所需要的光刻胶的布拉格光栅掩模4 。曝光方法可以采
用全息曝光或者电子束曝光技术。全息曝光技术一次曝光只能 形成一种周期的光栅图形，设备比较便宜。电子束曝光技术则
5 可以一次形成不同周期的光栅图形，但是设备比较昂贵。此处
采用全息曝光技术。光栅周期与所需要的激射波长相对应。此
处的光刻胶的布拉格光栅掩模4的质量至关紧要，将被用来充 当在氧化物介质薄膜2上刻制光栅的掩模；
(4 )如图4所示，以光刻胶布拉格光栅掩模4充当掩蔽， 10湿法刻蚀二氧化硅氧化物介质薄膜2 ，得到二氧化硅氧化物介 质的布拉格光栅掩模5。因为二氧化硅氧化物介质薄膜2的厚 度很小，在湿法腐蚀的过程中，需要做几次试验来确定最佳腐
蚀条件，才能得到合适的二氧化硅氧化物介质的布拉格光栅掩 模。氧化物介质布拉格光栅掩模5相对于光刻胶布拉格光栅掩
15模4而言，在刻制光栅的过程中更稳定，所以可以更好的控制 所刻制光栅的形状和深度；
(5 )如图5所示，以光刻胶布拉格光栅掩模4和氧化物 介质布拉格光栅掩模5—起充当掩蔽，对半导体化合物进行刻 蚀，在外延片刻制出布拉格光栅6 。将干法刻蚀工艺和湿法刻
20 蚀工艺结合起来运用，有利于在半导体外延片上刻制得到高质 量的布拉格光栅。干法刻蚀工艺可以选取反应离子刻蚀工艺或 者电子回旋共振等离子体刻蚀工艺等诸多方法，此处选取电子
回旋共振等离子体刻蚀工艺。经过干法刻蚀，得到布拉格光栅 的基本形貌后，将外延片放入湿法刻蚀溶液中浸泡 一 定的时 间，目的是使布拉格光栅表面变平滑。由于釆用了二氧化硅布 拉格光栅掩模，所以此处光栅的刻制深度可以更大，而且可以 5 保持很好的光栅形貌；
(6 )如图6所示，去掉外延片上的光刻胶布拉格光栅掩 模4 ，保留二氧化硅氧化物介质布拉格光栅掩模5 。保留的二 氧化硅氧化物介质布拉格光栅掩模在外延生长吸收层时将充 当掩蔽；
io (7)如图7所示，在保留氧化物介质布拉格光栅掩模5 的外延片上，外延生长吸收型增益耦合光栅的吸收层7，填充 布拉格光栅6的低凹部分。此处采用金属有机化学气相沉积方 法生长吸收层7 。控制生长的时间，使得吸收层7正好填平前 面刻制的布拉格光栅6的低凹部分。吸收层7的能量带隙小于
15设计的有源区激射波长所对应的能量带隙，具有一定的吸收作 用。实例中吸收层7为与衬底匹配的能量带隙波长为1.32 微米的铟镓砷磷材料，用于制作1 . 3微米激射波长的吸收型
增益耦合分布反馈激光器外延片。在升温的过程中，由于二氧 化硅布拉格光栅介质掩模5的保护作用，可以抑止半导体化合
20 物的挥发和迁移，使光栅保持原有的形貌。同时，由于化合物 半导体很难在氧化物介质布拉格光栅5表面生长，而容易在化 合物半导体表面生长，所以吸收层7正好生长在布拉格光栅6
的低凹部分，得到理想的吸收型增益耦合分布反馈光栅结构； (8)如图8所示，去掉外延片上的氧化物介质布拉格光 栅掩模5，准备进行二次外延生长吸收型增益耦合分布反馈激
光器的有源区等部分； 5 ( 9 )如图9所示，在生长了吸收层7的外延片上二次外
延依次生长下分别限制层8 、有源区9、上分别限制层l 0、 盖层1 1和接触层1 2 。实例中，下分别限制层8为与磷化铟 衬底匹配的铝铟砷材料，有源区9为激射波长为1 . 3 1微米 的铟镓铝砷多量子阱结构，上分别限制层1 0与磷化铟衬底匹 10配的铝铟砷材料，盖层1 1为p型磷化铟材料，接触层1 2为 与磷化铟衬底匹配的P型重掺杂铟镓砷材料。至此内含吸收型 增益耦合光栅的分布反馈激光器外延片就制作完成。
这种内含吸收型增益耦合光栅的分布反馈激光器的特点 在于制作工艺简单，无需端面抗反射膜；单模选择性不受端 15 面反射率的影响，所以单模成品率提高；高速动态调制时频率 展宽很小；具有单模超短光脉冲发生的能力。
本发明涉及到吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的一 种制作方法，其最重要的特点和意义有两点其一是引入氧化 物介质薄膜充当在半导体外延片表面刻制光栅的掩模，由于氧 20化物介质掩模相对于光刻胶掩模而言，在刻制光栅的过程中更 稳定，所以可以更好的控制所刻制光栅的形状和深度。另一点 在于，外延片表面光栅刻制完成后，在保留刻制布拉格光栅时
的氧化物介质掩模的条件下，外延生长吸收型增益耦合分布反 馈布拉格光栅的吸收层，从而根本上解决了在刻制了光栅的半 导体表面外延生长吸收层时由于半导体化合物材料的挥发和 迁移效应使得光栅变浅和光栅形貌难以保持的难题。
权利要求
1.一种吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在外延衬底上大面积沉积一层氧化物介质薄膜；(2)在已经沉积了氧化物介质薄膜的外延片上涂一层光刻胶；(3)将光刻胶曝光并显影得到光刻胶的布拉格光栅掩模；(4)以光刻胶布拉格光栅掩模充当掩蔽，刻蚀氧化物介质薄膜，得到氧化物介质的布拉格光栅掩模；(5)以光刻胶布拉格光栅掩模和氧化物介质布拉格光栅掩模一起充当掩蔽，对半导体化合物进行刻蚀，在外延片上得到布拉格光栅；(6)去掉外延片上的光刻胶布拉格光栅掩模，保留氧化物介质布拉格光栅掩模；(7)在保留氧化物介质布拉格光栅掩模的外延片上，外延生长吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的吸收层，填充光栅的低凹的部分；(8)去掉外延片上的氧化物介质布拉格光栅掩模；(9)在生长了吸收层的外延片上二次外延依次生长下分别限制层、有源区、上分别限制层、盖层和接触层。
2 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉 格光栅的制作方法，其特征在于，其中氧化物介质薄膜的厚度5 小于1 0 0纳米。
3 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉 格光栅的制作方法，其特征在于，其中外延衬底采用砷化镓或 者磷化铟化合物半导体材料。
4 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉 io格光栅的制作方法，其特征在于，其中氧化物介质薄膜采用二氧化硅或者氮化硅材料。
5 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉 格光栅的制作方法，其特征在于，其中将光刻胶曝光并显影得 到光刻胶的布拉格光栅掩模，该曝光采用全息曝光技术或者电15 子束曝光技术。
6 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉 格光栅的制作方法，其特征在于，其中的刻蚀是湿法和干法相 结合对外延片进行刻，干法刻蚀采用电子回旋共振等离子体刻 蚀、反应离子刻蚀或者感应耦合等离子体刻蚀技术。
7 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的制作方法，其特征在于，其中光刻胶的布拉格光栅掩 模的周期和所需要的激射波长对应。
8 、根据权利要求1所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉 格光栅的制作方法，其特征在于，其中生长吸收层时，要求控 制生长的时间，使得吸收层正好填平前面刻制的布拉格光栅的 低凹部分。
9 、根据权利要求1或8所述的吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的制作方法，其特征在于，其中吸收层材料的能量 带隙要求小于设计的有源区激射波长所对应的能量带隙。
全文摘要
一种吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的制作方法，包括如下步骤在外延衬底上大面积沉积一层氧化物介质薄膜；再在外延片上涂一层光刻胶；曝光并显影，得到氧化物介质的布拉格光栅掩模；对半导体化合物进行刻蚀，在外延片上得到布拉格光栅；去掉外延片上的光刻胶布拉格光栅掩模，保留氧化物介质布拉格光栅掩模；在保留氧化物介质布拉格光栅掩模的外延片上，外延生长吸收型增益耦合分布反馈布拉格光栅的吸收层，填充光栅的低凹的部分；去掉外延片上的氧化物介质布拉格光栅掩模；在生长了吸收层的外延片上二次外延依次生长下分别限制层、有源区、上分别限制层、盖层和接触层。
文档编号G02B5/18GK101101345SQ200610089590
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月5日 优先权日2006年7月5日
发明者文 冯, 朱洪亮, 潘教青, 圩 王, 王宝军, 赵玲娟 申请人:中国科学院半导体研究所