本发明实施例涉及激光器领域，尤其涉及一种光栅、dbr激光器及光栅制备方法。
背景技术
分布布拉格反射(dbr)激光器窄线宽光源的获得与dbr反射率r有关，且r＝tanh2(kl)，k为光栅耦合系数、l为光栅长度。在满足一定光栅反射率情况下，可以尽可能减小耦合系数增大光栅总长度来得到窄线宽光源。但是随着将多个波长激光器集成在同一芯片上的阵列激光器越来越重要及考虑到电子束曝光系统(ebl)光刻制作成本及周期，现已提出了利用最小光栅区长度的取样光栅等效替代均匀光栅这一光栅结构，而最小光栅区长度的取样光栅制作需要制作最大光栅耦合系数。耦合系数影响因素有：光栅层折射率、光栅区结构深度、光栅覆盖层折射率。
普通dbr激光器中的光栅制作工艺一般选用湿法腐蚀半导体材料，如ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料，包括inp、ingaas和ingaasp等。最常见的湿法腐蚀溶液为溴腐蚀液，其对于ⅲ族、ⅴ族半导体材料腐蚀速率具有各向同性，腐蚀横向速率与纵向速率比接近1:1，故对于占空比1:1周期240nm的光栅，光栅开口宽度为120nm左右，湿法腐蚀深度极限为120nm左右，且腐蚀后光栅形状为三角形。故为了增加光栅层深度增大耦合系数，预设深宽比光栅制作工艺选择反应离子刻蚀(rie)干法刻蚀，rie干法刻蚀兼具了各向异性及高选择比双重优点。
然而，在rie干法刻蚀中，随着刻蚀深度的增加，等离子体中的反应离子接触刻蚀表面越来越困难，刻蚀过程中生成的聚合物越来越难从沟槽中出来，导致刻蚀速率会逐渐降低，影响刻蚀深度此现象称为lag效应，lag效应产生的聚合物严重影响了预设深宽比光栅的dbr激光器的制作，是亟待解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种光栅、dbr激光器及光栅制备方法。
第一方面，本发明实施例提供一种光栅，包括：
依次外延的第一层、第二层和第三层；
所述第二层为凹槽状的周期结构，所述第三层填充所述第二层凹槽并向外延展，所述第二层的材料与所述第三层的材料的折射率不相同；
其中，一个所述第二层凹槽的凸起和一个被所述第三层填充的凹槽的凹陷，形成所述光栅的一个光栅周期，所述光栅的一个光栅周期的范围为200～280nm，占空比为1:1；所述凹槽深度为光栅深度，所述光栅深度范围为300～420nm。
第二方面，本发明实施例提供一种dbr激光器，包括第一方面所述的光栅。
第三方面，本发明实施例提供一种制备第一方面所述光栅的方法，包括：
300，在外延结构表面生长一层具有第一预设厚度范围的sio2膜层，所述外延结构包括第一层和第二层，所述第二层用于刻蚀光栅，所述第一层用于防止过刻；
301，在所述sio2膜层的表面涂一层具有第二预设厚度范围的光刻胶；
302，对涂胶后的外延结构进行电子束曝光，将光栅的条文图案的转移到所述光刻胶上；
303，利用rie设备刻蚀所述外延结构表面的sio2膜层，将无光刻胶掩蔽的sio2部分刻蚀完全；
304，以刻蚀后的sio2作为掩蔽层，利用rie设备并使用ch4和h2作为刻蚀气体对所述外延结构的第二层进行干法刻蚀，形成具有预设深宽比的光栅区域；步骤304的刻蚀过程包括1轮或多轮，每一轮的刻蚀时长为预设时长；其中，每一轮的刻蚀参数包括：刻蚀气体ch4流量范围为70～90sccm，h2流量范围为15～30sccm，射频功率范围为40～60w，腔体压力范围为100～150mtorr；
305，利用辉光机去除刻蚀后的外延结构表面的聚合物及残留物，并漂洗去除剩余的sio2；
306，在所述外延结构的第二层上外延第三层，所述第三层的材料与第二层的材料的折射率不相同，获得具有预设深宽比的光栅。
本发明实施例提供的一种光栅及其制备方法，在刻蚀光栅区域时，通过调整rie设备刻蚀气体流量、腔体压力、射频功率等参数，克服了刻蚀过程中的lag效应，刻蚀出深宽比达到3:1的光栅图形，获得预设深宽比光栅。本发明实施例通过3:1的深宽比来增大光栅耦合系数，制作出替代均匀光栅结构的最小光栅区长度的取样光栅，节省了ebl制作成本、缩短了制作周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例光栅的完整结构示意图；
图2为本发明实施例光栅结构示意图；
图3为本发明实施例一种光栅制备方法流程示意图；
图4为本发明实施例电子束曝光前的外延结构示意图；
图5为本发明实施例电子束曝光后的光栅形貌示意图；
图6为本发明实施例sio2膜层刻蚀后的光栅形貌示意图；
图7为本发明实施例光栅结构端面sem测试示意图；
图8为本发明实施例光栅结构45度角侧视sem测试示意图；
其中，
1、外延结构，3、光刻胶层，12、外延结构的ingaasp层，
2、sio2膜层，11、外延结构的inp层，13、外延结构的inp层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例光栅的完整结构示意图，如图1所示的光栅，包括：
依次外延的第一层11、第二层12和第三层13；所述第二层12为凹槽状的周期结构，如图1中的黑色部分，第三层13填充所述第二层12凹槽并向外延展，第二层的材料和第三层13的材料的折射率不相同；
其中，一个所述第二层12凹槽的凸起和一个被所述第三层13填充的凹槽的凹陷，形成所述光栅的一个光栅周期；所述光栅周期的范围为200～280nm，占空比为1:1；凹槽深度为光栅深度，所述光栅深度范围为300～420nm。
请参考图1，具体的，第一层11的材料为二元磷化铟inp，第二层12的材料为ingaasp或ingaas，第三层13的材料为元磷化铟inp。第一层11、第二层12和第三层13构成所述光栅的外延结构。本发明实施例在第二层ingaasp层或ingaas层上刻蚀出光栅图形，在第二层光栅图形上外延第三层，且第三层的材料向下填充第二层的凹槽，由于第二层的材料和第三层的材料的折射率不相同，从而形成第二层和第三层交错的光栅结构。第二层材料和第三层材料交错的周期性结构构成光栅层；由于第二层材料和第三层材料的折射率不同，因而光栅层是由具有一定折射率差的两种材料交错而成的周期性结构。
图2为本发明实施例光栅结构示意图，请参考图2，一个光栅周期为λ，包括一个凹槽的凸起和一个凹槽的凹陷，光栅深度即凹槽深度为h。一般的，光栅周期λ的常用取值范围为200～280nm，占空比为1:1，即凹槽的凸起和凹槽的凹陷的宽度相同；光栅深度h的常用取值范围为300～420nm，在上述光栅周期和光栅深度的取值范围内，光栅深度和光栅宽度的比值可达到3:1，成为具有预设深宽比的光栅，可获得较大的光栅耦合系数，满足dbr激光器的制作需求。
优选的，所述光栅的光栅周期为240nm，光栅深度为360nm。此时光栅开口为120nm，光栅深度360nm，深宽比为3:1。
基于上述光栅，本发明实施例还提供一种包含上述光栅的dbr激光器。
dbr激光器窄线宽光源的获得与dbr反射率r有关，且r＝tanh2(kl)，k为光栅耦合系数、l为光栅长度。本发明实施例的光栅对于用最小光栅区长度的取样光栅替代均匀光栅结构的dbr激光器制作有重要作用，本发明实施例通过增加光栅层深度来增加光栅耦合系数，减少取样光栅长度，节省ebl制作成本及缩短制作周期。
图3为本发明实施例一种光栅制备方法流程示意图，如图3所示的一种光栅的方法，包括：
300，在外延结构表面生长一层具有第一预设厚度范围的sio2膜层，所述外延结构包括第一层和第二层，所述第二层用于刻蚀光栅，所述第一层用于防止过刻；
本发明实施例在外延结构表面生长sio2膜层时，此时的外延结构只包括两层，即第一层二元磷化铟inp层11，第二层ingaasp层12，第二层的材料也可以是ingaas，请参考图1。具体做法是：在衬底上外延的dbr激光器结构为生长缓冲层、下限制层、多量子阱和上限制层，在上限制层之上生长腐蚀停止层和构成光栅结构的三层材料中的前两层即第一层二元磷化铟inp层11，第二层ingaasp层或ingaas层12。
所述第一预设厚度范围为80～120nm，优选的，第一预设厚度为100nm，即在外延结构表面生长sio2膜层的厚度为100nm。
301，在所述sio2膜层的表面涂一层具有第二预设厚度范围的光刻胶；
所述第二预设厚度范围为140～160nm，优选的，第二预设厚度为150nm。具体的，可利用涂胶机在所述sio2膜层的表面涂一层具有第二预设厚度范围的光刻胶，涂胶机的旋转速度为4000转每分钟，涂胶厚度为150nm。
图4为本发明实施例电子束曝光前的外延结构示意图，其中1为外延结构，2为sio2膜层，3为光刻胶层。其中，外延结构1包括第一层11和第二层12。
302，对涂胶后的外延结构进行电子束曝光，将光栅的条文图案的转移到所述光刻胶上；
具体的，光栅的条文图案为一种周期性结构，刻蚀后可以形成凹槽状的周期结构，一个凹槽的凸起和一个凹槽的凹陷，形成光栅的一个光栅周期，所述光栅周期的范围为200～280nm，占空比为1:1。优选的，所述光栅周期为240nm，占空比为1:1时，光栅开口为120nm。
具体的，对涂胶后的外延结构进行电子束曝光，并控制曝光时长，使得未曝光透的底胶的厚度小于5nm。未曝光透的底胶可作为步骤303中刻蚀sio2膜层的掩蔽。图5为本发明实施例电子束曝光后的光栅形貌示意图，可以看出，光刻胶层3形成了光栅区域。
303，利用rie设备刻蚀所述外延结构表面的sio2膜层，将无光刻胶掩蔽的sio2部分刻蚀完全；
图6为本发明实施例sio2膜层刻蚀后的光栅形貌示意图，步骤303通过未曝光透的底胶作为掩蔽对sio2膜层进行刻蚀，从而在sio2膜层上形成光栅区域。
304，以刻蚀后的sio2作为掩蔽层，利用rie设备并使用ch4和h2作为刻蚀气体对外延结构的第二层进行干法刻蚀，形成具有预设深宽比的光栅区域；其中，刻蚀过程包括多轮，每一轮的刻蚀时长为预设时长，刻蚀参数包括：刻蚀气体ch4流量范围为70～90sccm，h2流量范围为15～30sccm，射频功率范围为40～60w，腔体压力范围为100～150mtorr；
步骤304中，以刻蚀后的sio2膜层作为掩蔽层，利用rie设备、ch4和h2作为刻蚀气体对外延结构进行干法刻蚀，具体的对外延结构的第二层ingaasp层或ingaas层进行干法刻蚀，刻蚀后的第二层为凹槽状的周期结构。为了获得较大的深宽比，需要优化相关工艺参数，如刻蚀气体ch4和h2流量、射频频率、腔体压力等，本发明实施例通过调整rie设备刻蚀气体流量、腔体压力、射频功率等参数，克服了rie干法刻蚀过程中lag效应抑制刻蚀速率刻蚀深度的影响，可使光栅干法刻蚀深度与光栅开口宽度比达到3:1，即预设深宽比为3:1。
优选的，可以刻蚀过程中加入o2辉光去除聚合物这一步骤，加入o2辉光后，可减少刻蚀时间。刻蚀过程的o2辉光，可以在每一轮刻蚀后进行，也可以视情况在一轮或多轮刻蚀中进行，本发明实施例对此不作具体限定。
305，利用辉光机去除刻蚀后的外延结构表面的聚合物及残留物，并漂洗去除剩余的sio2；。
本发明实施例在sio2刻蚀过程结束后，利用辉光机去除刻蚀后的外延结构表面的聚合物及残留物；漂洗去除剩余的sio2时，可利用缓冲氧化蚀刻剂boe溶液漂洗去除剩余的sio2。
306，在所述外延结构的第二层上外延第三层，所述第三层的材料与第二层的材料的折射率不相同，获得具有预设深宽比的光栅；
所述外延结构的第一层的材料为二元磷化铟inp，第二层的材料为ingaasp或ingaas，第三层的材料为二元磷化铟inp，即第一层为二元磷化铟inp层，第二层为ingaasp层或ingaas层，第三层为二元磷化铟inp层。
在外延结构上制备好了光栅区域后，本发明实施例将外延结构进行二次材料生长，覆盖上第三层inp材料，最终在第二层中实现了二元inp材料和四元ingaasp或ingaas材料交错构成的预设深宽比光栅区域，如图1所示。第二层材料和第三层材料交错的预设深宽比光栅区域即为光栅层；由于第二层材料和第三层材料的折射率不同，因而光栅层是由具有一定折射率差的两种材料交错而成的周期性结构。
本发明实施例所述光栅制备方法，结合电子束光刻及反应离子刻蚀rie干法刻蚀技术，通过调整rie干法刻蚀的刻蚀气体流量、射频、腔体压力等参数攻克了刻蚀过程中生成的聚合物阻碍刻蚀气体接触半导体材料、产生的lag效应抑制刻蚀速率刻蚀深度这一技术难点，在刻蚀开口仅有百纳米极小宽度下，刻蚀出深宽比达到3:1的光栅图形；通过增加光栅层深度来提升光栅耦合系数k，这对于dbr取样光栅制作有重要作用。在dbr反射率不变条件下，增大光栅耦合系数k，尽可能减小取样光栅的光栅长度l，能节省ebl制作成本缩短制作周期。
基于上述实施例，优选的，步骤304中刻蚀参数具体为：刻蚀气体ch4流量为80sccm、h2流量为20sccm，射频功率为50w，腔体压力为120mtorr。
基于上述实施例，优选的，所述刻蚀过程包括1个或多个轮，每一轮的刻蚀时长为预设时长，具体包括：刻蚀过程包括10轮，每一轮的刻蚀时长为4分钟。
在优选方案中，本发明实施例将步骤304中的刻蚀参数和刻蚀过程等调整到最优，在光栅周期为240nm，光栅开口为120nm的情形下，刻蚀光栅深度为360nm，光栅的深宽比为3:1，从而获得预设深宽比光栅。
基于上述实施例，步骤305，所述利用辉光机去除刻蚀后的外延结构表面的聚合物及残留物，并漂洗去除剩余的sio2，获得具有预设深宽比的光栅，具体包括：
3051，利用辉光机去除刻蚀后的外延结构表面的聚合物及残留物，并漂洗去除剩余的sio2；
3052，将漂洗后的外延结构置入稀释腐蚀液进行腐蚀，使得腐蚀深度不超过预设腐蚀深度；
3053，将腐蚀后的外延结构取出清洗，并利用n2和/或h2气体进行热处理，形成光栅区域，获得具有预设深宽比光栅。
由于rie干法刻蚀可能会对材料表面造成损伤，本发明实施例采用极低浓度的溴腐蚀液去除损伤层，腐蚀深度不超过5nm，再利用n2、h2混合气体对外延结构热处理进一步消除损伤。
具体的，稀释腐蚀液可通过硝酸，氢溴酸和水配置，将预设配比的硝酸，氢溴酸和水配置好后，在冰点静置一小时，将外延结构置入腐蚀液中进行腐蚀，使得腐蚀深度不超过5nm，腐蚀时间为5秒。
本发明实施例通过稀释腐蚀液腐蚀和热处理来去除刻蚀过程中外延结构表面的受损伤层。
基于上述实施例，步骤303，所述利用rie设备刻蚀所述外延结构表面的sio2膜层，将无光刻胶掩10的sio2部分刻蚀完全，之前还包括：
3021，利用辉光机对电子束曝光后的外延结构进行辉光，完全去除尚未显影完全的残留底胶；
步骤303，所述利用rie设备刻蚀所述外延结构表面的sio2膜层，将无光刻胶掩蔽的sio2部分刻蚀完全，之后还包括：
3031，利用辉光机对刻蚀sio2后的外延结构辉光3～7分钟，并利用加热的nmp溶液将辉光后的外延结构表面的光刻胶完全去除。
具体的，步骤3021在步骤302之后、步骤303之前执行，利用辉光机对外延结构进行短时间辉光，完全去除尚未显影完全的残留底胶，并调整光栅图形占空比到1:1，这样可以在光刻胶层形成清晰的、符合占空比要求的光栅形貌。
具体的，步骤3031在步骤303之后、步骤304之前执行，利用辉光机刻蚀sio2后的外延结构辉光3-7分钟，优选的辉光5分钟；并用nmp加热10分钟，将外延结构表面的光刻胶去除干净，剩余sio2膜层作为掩蔽层。
综上所述，本发明实施例所述方法，首先在外延结构材料表面生长一层具有特定厚度范围的的sio2膜层并在sio2膜层上涂胶；然后利用电子束曝光，将光栅图形转移至光刻胶上；然后利用rie设备干法刻蚀将光栅图形转移至sio2上；然后通过rie设备刻蚀ⅲ-ⅴ族半导体材料，最终将光栅图形从sio2上转移到外延结构上，rie刻蚀外延结构时采用ch4/h2作为刻蚀气体，利用ch4/h2对于外延结构表层及掩蔽层sio2膜层刻蚀速率比达到10:1以上，增加刻蚀深度，通过调整rie设备刻蚀气体流量、腔体压力、射频功率等参数，克服了rie干法刻蚀过程中lag效应抑制刻蚀速率刻蚀深度的影响；最后，对外延结构进行二次外延，形成了第二层ingaasp或ingaas层和第三层二元磷化铟inp层材料交错构成的光栅区域，请参考图1，从而获得了预设深宽比光栅。
图7为本发明实施例光栅结构端面sem测试示意图，采用jeol扫描电镜拍摄，设备加速电压12kv，工作距离14mm，束斑直径30；图8为本发明实施例光栅结构45度角侧视sem测试示意图，jeol扫描电镜拍摄，设备加速电压12kv，工作距离14mm，束斑直径30。从图7和图8中可以看出，光栅深宽比达到3:1以上，可以作为制备dbr激光器的预设深宽比光栅，替代均匀光栅结构最小光栅区长度的取样光栅，节省ebl制作成本，缩短制作周期。
本发明实施例具有如下有益效果：
通过增大光栅层深度来增加光栅耦合系数k，对于最小光栅区长度的取样光栅等效替代均匀光栅这一光栅结构制作有重要意义。不仅可以获得极窄线宽还可以降低ebl加工时间及成本。rie干法刻蚀光栅较湿法腐蚀，刻蚀深度更深且光栅形貌更接近矩形，通过调整刻蚀参数抑制了lag效应等，制作出形貌均匀的光栅，满足工业应用需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。