激光器的侧边耦合光栅及其制备方法、包含其的激光器与流程

本发明涉及半导体技术及纳米加工领域，进一步涉及一种侧边耦合激光器金属光栅的制备方法，以及依照该制备方法所制成的光栅，以及包含该光栅的激光器。

背景技术：

半导体激光器由于体积小、成本低、易于集成等优点，在很多领域都有广泛的应用，如空间通信、气体探测、激光对抗等。尤其是中红外2～5μm波段的半导体激光器受到越来越多的关注，这是由于2～5μm是非常重要的大气窗口，许多气体分子的吸收特征谱线都在这个波段内，因此对于大气监测、矿井瓦斯气体探测等民用项目中有很大的应用潜力，利用这个波段的半导体激光器制备的可调谐激光器大气光谱技术(tunablediodelaseratmospherespectrum，简称tdlas)对各种气体进行监测。而在这个波段的半导体激光器工作材料的选择上，锑化物的带隙正好覆盖了1.7～4.4μm的波段，因此锑化物量子阱激光器已经成为这一波段最热门的研究对象。

对于气体探测的应用，由于各种气体分子的吸收谱线相隔很近有所交叠，因此为了精确检测，对激光器的光谱有很高的要求，需要有很窄的光谱宽度，且单模激射，而对激光器的功率要求并不是很高，为了达到这一要求，分布反馈(distributedfeedback，简称dfb)激光器是一个很好的选择，这是由于dfb激光器的单模窄线宽的特性很符合这个要求。

常规的dfb激光器通常采用二次外延的方式，即在材料外延的过程中，生长到激光器的上限制层后停止生长，制备刻蚀光栅，而后继续外延过程完成总体的材料生长。尤其对于锑化物dfb激光器而言，由于限制层有高al组分，这种二次外延的方式将会在材料暴露在空气中的时候严重氧化，从而影响激光器的性能。为了解决这个问题，侧边耦合光栅应运 而生，即一次性完成激光器外延结构的生长，在激光器制备工艺过程中，在刻蚀制备的脊条波导两侧通过光刻制备光栅，从而达到分布反馈的效果。而制备侧边耦合光栅，是一个难点，这是由于事前制备了脊条波导，有一定的高度和宽度，不同于平面的光刻，在甩胶的过程中会在脊条底部出现堆胶的现象，对于常用的全息曝光来说，不能充分曝透。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的在于提出一种激光器的侧边耦合光栅制备方法。

为实现上述目的，本发明提出一种激光器的侧边耦合光栅的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：刻蚀制备激光器脊条波导，在所述脊条波导上做好电子束光刻对准标记并涂上光刻胶；

步骤2：对涂上光刻胶的脊条波导两侧进行初步电子束曝光；

步骤3：确定电子束曝光后的光栅掩膜与脊条波导的距离偏差，并在光栅版图中修正这一偏差；

步骤4：利用修正的光栅版图对样品进行正式电子束曝光并显影；

步骤5：溅射金属并进行剥离，形成侧边耦合光栅。

根据本发明的一具体实施方案，所述的激光器脊条波导是通过干刻蚀法形成，脊条波导的宽度为3～5μm。

根据本发明的一具体实施方案，其特征在于，步骤2中的电子束曝光对准标记采用接触式紫外光刻制备。

根据本发明的一具体实施方案，所述的侧边光栅版图利用软件进行绘制编辑。

根据本发明的一具体实施方案，所述的光栅掩膜图形与脊条波导之间的距离偏差，是通过sem观察确定。

根据本发明的一具体实施方案，所述的显影液是四甲基二戊酮和异丙醇的混合溶液。

根据本发明的一具体实施方案，在所述脊条波导两侧宽度为2-3μm的范围内进行电子束曝光。

根据本发明的一方面，提供一种采用以上任一所述制备方法制备的激光器的侧边耦合光栅。

根据本发明的一方面，提供一激光器，包含以上任意所述的侧边耦合光栅。

根据本发明的一具体实施方案，所述激光器为锑化物分布反馈激光器。

通过上述方案，本发明的有益效果在于：

(1)通过一次光刻及sem观测确定电子束光刻误差，然后对光刻版图进行修正，再进行正式片的电子束曝光，使得制备得到的光栅掩膜精确分布在脊条底部，并大大减少了电子束曝光的时间，降低了成本，对于侧边耦合dfb激光器的制备是十分有益的；

(2)本发明采用了电子束曝光，由于电子束曝光其能高量且曝光区域精确可控等因素，非常适合侧边耦合光栅的制备

(3)在本发明中，设计了侧边耦合光栅的整体制备方案，此方法制备的侧边耦合光栅具有严格紧靠脊条波导、节省有效曝光时间、降低成本等优点；

(4)通过设计在脊条两侧2-3μm的范围进行电子束曝光，充分提高光栅的利用效率；

(5)通过该方法，尤其对于锑化物分布反馈激光器，避免了材料的氧化，提高了激光器的性能，且防止了采用其它工艺刻蚀工艺引起的堆胶；

(6)通过本发明光栅的制备方法，能够制备紧靠脊条波导的完美反馈光栅，为激光器的分布反馈选模提供良好的结构基础，并减少了电子束曝光的时间，降低了成本。

附图说明

为进一步阐明本发明的内容和优点，下面将结合附图和实例详细说明：

图1为本发明一具体实施例的工艺流程图。

图2为本发明一具体实施例的样品上制备脊条波导及电子束光刻对版标记示意图。

图3为本发明一具体实施例的侧边耦合光栅示意图。

图4为本发明一具体实施例的第一次电子束光刻预曝光的侧边光栅掩膜sem照片。

图5为本发明一具体实施例的修正预曝光的光栅与脊条波导之间的距离偏差后修正光栅版图的正式曝光光栅掩膜sem照片。

图6为本发明一具体实施例的经过剥离后得到的侧边耦合金属光栅的sem照片。

具体实施方式

根据本发明总体上的发明构思，提供一种激光器的侧边耦合光栅的制备方法，即先在刻有脊条波导的外延片上做第一次电子束曝光预光刻，然后通过sem观察版图与脊条波导的距离误差，然后修正光栅版图后，进行正式光栅曝光，再进行金属溅射、剥离，从而完成金属光栅的制备。

所述的激光器脊条波导是通过干刻蚀法形成，优选采用icp刻蚀系统进行，优选的，脊条波导的宽度为3～5μm。对于光栅的位置，由于脊条波导两侧大概2μm的距离内为光栅的有效作用区域，因此，设计光栅时，总体宽度设计为脊条波导两侧2～3μm。

对于对准标记的制作，优选的，电子束曝光对准标记采用接触式紫外光刻制备。

对于光刻工艺的选择，优选的，电子束曝光系统是jbx5500za系统；电子束光刻胶为pmmaa4胶；光栅版图的绘制，优选采用软件进行绘制编辑，更加优选的，采用l-edit软件行进绘制编辑。

优选的，所述的光栅掩膜图形与脊条波导之间的距离偏差，是通过sem观察确定。

显影过程中，优选的，所述的显影液是四甲基二戊酮和异丙醇的混合溶液。

溅射过程中，优选的所述溅射金属为cr。溅射金属是通过磁控溅射台dp-650来溅射生长。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发 明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

请参阅图1所示，本发明提供一种gasb基侧边耦合dfb激光器分布反馈金属光栅的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在已经制备好脊条波导的gasb激光器外延片上匀涂电子束光刻胶pmmaa4胶，外延片样品表面如示意图2所示。其中，由于dfb激光器对单横模的要求，脊条波导需要做的很窄，对于gasb基dfb激光器而言，脊条波导的宽度一般为3～5μm。因此，这么窄的脊条波导不适于用湿法腐蚀制备，这是由于湿法腐蚀是各向同性腐蚀，对于脊条波导侧壁，湿法腐蚀会形成弧形的缓坡，如果脊条波导的宽度很窄，这样会使脊台的顶部变成尖状，不能进行后续工艺。而干法刻蚀是各向异性刻蚀，可以刻蚀得到侧壁近于垂直的波导，因此非常适合侧边耦合dfb激光器的制备。

在已经制备好3～5μm脊条波导的gasb激光器外延片样品上旋涂电子束光刻胶pmma，这种胶分为几个型号，分别为a2、a4及a8胶，三种胶的参考匀涂胶厚分别为100nm、200nm及800nm，对于侧边耦合dfb激光器，金属光栅的厚度一般为40～60nm，综合剥离难易度及电子束光刻精度，厚度为200nm的a4胶为最优选择。选取样片放在旋转涂胶台，选择转速为4k转/分，旋涂时间为30s，然后取下样品稍作擦胶边处理然后放在180度的热板进行前烘，时间为90s，然后样品即可准备进行电子束光刻。

步骤2：对gasb基激光器外延片样品进行第一次电子束光刻预曝光。首先将匀涂好电子束光刻胶pmmaa4胶的样品放入电子束光刻系统jbx5500za系统，并进行抽真空。然后将侧边耦合光栅的版图导入电子束光刻控制系统，光栅的版图由l-edit编辑，主要为光栅的周期、占空比、光栅与电子束光刻对准标记的相对位置等，如图3所示，由于脊条波导两侧大概2μm的距离内为光栅的有效作用区域，因此，设计光栅时，总体宽度设计为脊条波导两侧2～3μm即可。

但由于光栅与脊条波导的相对位置是通过样品上的电子束光刻标记来确定的，如图2中的长方形框所示。只有电子束光刻标记与脊条波导的 相对位置严格与设计版图相符才可以，这对于样品上通过接触式紫外光刻制备的金属电子束光刻标记的位置有很高的要求，但对于通常的紫外光刻的光刻误差一般都大于1μm，这对于光栅相对于脊条波导的位置是一个很大的误差，如果光栅偏离脊条波导的距离误差达到1μm左右，光栅的作用将大大降低，因此通过第一次电子束光刻预曝光来修正这一误差尤为重要。

第一次预曝光的版图设计可以简化处理，比如在每条脊条的上中下三个位置设计较少的周期的光栅，以此来进行第一次电子束光刻；同时可以对电子束光刻的条件进行试验。

步骤3：第一次电子束预曝光后，对样品进行显影得到光刻胶掩模，然后将样品放入sem进行观察，如图4所示。记录下每条脊条如a，b，c，d…的试验光栅处，光栅与脊条波导的距离偏差，然后在正式片的侧边光栅版图的设计中，考虑这一距离偏差进行修正，得到正式片的侧边耦合光栅版图。

步骤4：将gasb基激光器外延片进行正式电子束曝光，重复之前的步骤，采用预曝光的试验条件，曝光完毕，并进行显影，得到侧边耦合光栅光刻胶掩膜，如图5所示。

步骤5：将电子束正式曝光完成的样品放入磁控溅射台生长金属。对于锑化物激光器的激射波段，金属cr光栅能为dfb激光器提供最大的耦合系数，因此，一般选择cr作为金属光栅材料。生长方法选择用磁控溅射的方法，生长厚度约50nm，生长温度为常温，以免高温下金属难以剥离。金属生长完成后，将样品泡在丙酮里，使电子束光刻胶充分的溶解，大约一个小时后，将容器放在超声仪里边进行超声，使非光栅区域的金属随光刻胶一起剥离掉，从而形成侧边耦合金属光栅，如图6所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。