一种分布反馈式激光器、光栅结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及激光器制备技术领域，特别是涉及一种分布反馈式激光器、光栅结构及其制备方法。


背景技术：

2.半导体激光器是光通信网络的主要光源，包括法布里-珀罗(fp激光器)、分布反馈式激光器(dfb)和垂直腔面发射(vcsel)激光器三种类型；其中，分布反馈式激光器(dfb)在半导体内部构建有布拉格光栅，其利用光的分布反馈实现单纵模选择，具有高速、窄线宽及动态单模工作特性。
3.目前，商用分布反馈式激光器的光栅结构具有两种，一种均匀光栅结构，一种是相移光栅结构，均匀光栅结构的分布反馈式激光器容易发生跳模，且其边摸抑制比和合格率低于相移光栅结构的分布反馈式激光器。但现有的相移光栅结构的制作方法通常为采用电子束曝光和纳米压印，但由于电子束曝光速度慢，不适合大规模工业生产；而纳米压印容易发生软膜错位，造成图形不清晰，成品率较低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分布反馈式激光器、光栅结构及其制备方法，以解决现有技术中生产效率低以及成品率低的问题。
5.为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种分布反馈式激光器的光栅结构的制备方法，包括以下步骤：
6.s1：设计并制作一光刻版，其中，所述光刻版的底部具有一光栅掩膜结构，所述光栅掩膜结构具有若干呈间隔分布的第一相移区域和第一均匀区域，所述第一相移区域的光栅周期呈对称的线性变化，所述第一均匀区域的光栅周期恒定；
7.s2：提供一衬底，并在所述衬底上生长一层光栅层形成一次外延片；
8.s3：基于所述光刻版并采用光刻工艺在所述光栅层上形成一光刻胶掩膜结构；
9.s4：利用所述光刻胶掩膜结构对所述光栅层向下刻蚀出若干第一栅槽，形成光栅结构，其中，所述光栅结构具有若干呈间隔分布且与所述光刻板的光栅掩膜结构上第一相移区域和第一均匀区域呈倍频变化第二相移区域和第二均匀区域，所述第二相移区域的光栅周期呈对称的非线性变化，所述第二均匀区域的光栅周期恒定；
10.s5：对所述光栅结构进行掩埋形成二次外延片。
11.进一步的，所述步骤s1的具体方法为：
12.根据严格耦合波分析进行工艺仿真，通过调整光刻版上光栅掩膜结构的占空比，使所述光刻版在仿真时
±
1级衍射最大而0级衍射最小，得到光栅掩膜结构的占空比，确定第一相移区域的长度及最大光栅周期，以及根据激光器芯片的出光波长确定第一均匀部分的周期；
13.提供一石英板，根据所述光栅掩膜结构的占空比以及第一相移区域的长度、最大
光栅周期和第一均匀区域的周期，在所述石英板的下表面刻蚀出若干沿水平方向间隔布置的第二栅槽，形成光栅掩膜结构，得到一光刻版。
14.进一步的，在步骤s2中，所述光栅层的厚度为30+-2nm。
15.进一步的，所述步骤s3的具体方法为：
16.在所述一次外延片的上表面涂覆一层光刻胶层；
17.设置曝光条件及曝光剂量，基于塔尔博特效应并利用所述光刻版对光刻胶层进行曝光，得到呈间隔设置的位于曝光区域的第一光刻胶柱以及位于非曝光区域的第二光刻胶柱；
18.对曝光后的光刻胶层进行显影，去除曝光区域的第一光刻胶柱形成光刻胶掩膜结构。
19.进一步的，在步骤s3中，所述曝光条件包括光强、曝光时间、曝光间隙以及曝光积分距离，其中，所述光强为0.3～0.5μw/cm2，曝光时间为17
±
1s，曝光积分距离为5
±
0.5μm，所述曝光间隙根据光栅结构上两个第二相移区域的间距以及曝光光源的波长和光刻版上光栅掩膜结构图形的光栅周期计算得到，所述曝光剂量为6.6～7mj/cm2。
20.进一步的，在步骤s4中，所述光刻胶掩膜结构对应已除去的各第一光刻胶柱的位置处形成有使光栅层的表面显露于外的刻蚀窗口，所述步骤s4的具体方法为：
21.采用干法刻蚀在所述刻蚀窗口处向下刻蚀光栅层形成与刻蚀窗口一一对应的第一栅槽以及与所述第一栅槽间隔设置的光栅条；
22.将光栅条上的光刻胶掩膜结构剥离，形成光栅结构。
23.进一步的，在所述步骤s4中，在对所述光栅层进行刻蚀时，刻蚀深度大于光栅层的厚度。
24.进一步的，所述步骤s5的具体方法为：
25.在所述光栅层上依次生长p-inp层和zn掺杂的p-ingaas欧姆接触层，对光栅结构进行掩埋，得到二次外延片。
26.本发明的第二方面提供一种分布反馈式激光器的制备方法，包括以下步骤：
27.p1：采用上所述的分布反馈式激光器的光栅结构的制备方法制备得到光栅结构；
28.p2：基于所述分布反馈式激光器的光栅结构制备激光器芯片；
29.p3：对所述激光器芯片的波长和边模抑制比进行测试，当所述波长和边模抑制比达到测试条件时，制备得到分布反馈式激光器，否则重复执行步骤p1的全部或部分步骤，对光刻版制作时的曝光条件及曝光剂量改变后或者对光刻版的第一相移区域的长度及光栅周期变化量调整后重新制备光栅结构及其激光器芯片，直至所述激光器芯片的波长和边模抑制比进行测试达到测试条件。
30.本发明的第三方面提供一种分布反馈式激光器，包括一采用如上所述的分布反馈式激光器的光栅结构的制备方法制备得到的光栅结构，所述光栅结构具有若干呈间隔设置的第二相移区域和第二均匀区域，所述第二均匀区域的光栅周期恒定，所述第二相移区域的光栅周期大于第二均匀区域的光栅周期且所述第二相移区域的光栅周期呈对称的非线性变化。
31.本发明通过设计具有一光栅周期在第一相移区域呈对称线性变化的光刻版，基于衍射自成像原理，利用光刻版在光栅层上方的光刻胶层进行曝光形成光栅掩膜结构，并通
级衍射最大而0级衍射最小，得到所述光栅周期的占空比，确定出光栅掩膜结构102图形上第一相移区域的长度和最大光栅周期，由于光栅掩膜结构102图形上第一相移区域对应的周期呈等差的线性变化，由此，可根据所述第一相移区域的长度和最大光栅周期确定出第一相移区域中的光栅周期变化量；所述第一均匀区域的光栅周期按照制备的光栅结构401对应的出光波长确定。在本实施例中，在采用波长为266nm的光刻机制备光刻版时，得到的光刻版在光栅掩膜结构102图形的占空比为50％时，达到
±
1级衍射最大而0级衍射最小，其得到第一均匀区域的光栅掩膜结构102图形的光栅周期为400nm，最大光栅周期为600nm，第一相移区域中光栅周期等差变化的差值为：(600-400)/l(l为第一相移区域起始位置至达到最大光栅周期位置的相移)。
49.在本实施例中，所述光刻版采用电子束直写技术进行曝光；具体的，首先，在所述石英板101的下表面依次形成一电子束抗蚀剂层和一电子束光刻胶层301；然后，利用电子束直写技术在所述电子束光刻胶层301上根据第一相移区域的长度及光栅周期变化量形成光栅掩膜结构102图形；接着，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法并根据所述光栅掩膜结构102刻蚀电子束抗蚀剂层和石英板101，所述石英板101的刻蚀厚度小于所述石英板101的厚度，以在所述石英板101的底部形成第二栅槽102a；最后，去除石英条上的电子束光刻胶层301以及电子束抗蚀剂层，得到一底部具有光栅掩膜结构102的光刻版。
50.s2：生长形成一次外延片。
51.具体的，提供一衬底201，并在所述衬底201上生长一层光栅层202形成一次外延片。在本实施例中，所述衬底201可选择inp衬底201，所述光栅层202的生长厚度为30
±
2nm。
52.s3：在一次外延片上形成光刻胶掩膜结构302。
53.具体的，在所述一次外延片上涂覆形成一光刻胶层301，并在预设曝光条件和曝光剂量下对光刻胶层301进行曝光得到光刻胶掩膜结构302图形，最后对曝光后的光刻胶掩膜结构302图形进行显影以在一次外延片上形成光刻胶掩膜结构302。
54.如图4所示，在对所述光刻胶层301进行曝光的过程中，由于衍射作用，所述光刻版上的一个第一相移区域在曝光后，将在所述光刻胶掩膜结构102上形成两个与第一相应区域对应的第三相移区域，所述光刻胶掩膜结构102具有间隔设置的第三相移区域和第三均匀区域，所述第三相移区域对应的周期呈对称的非线性变化，其最大周期为第一相移区域的最大光栅周期的一半，所述第三均匀区域对应的周期恒定，其周期为第一均匀区域的光栅周期的一半。
55.如图5所示，所述步骤s3包括以下子步骤：
56.s301：在所述一次外延片的上表面(也即光栅层202的上表面)均匀涂覆一层光刻胶层301并对所述光刻胶层301进行烘烤。
57.s302：将所述光刻版的光栅掩膜结构102的一侧朝下与光刻胶层301相对，并将光刻版与一次外延片进行对准，采用塔尔博特效应的深紫外光刻机的高斯模式，设置其对应的曝光条件和曝光剂量，以所述光刻版作为掩膜，控制一次外延片在垂直于光刻版的方向上下移动，其移动的总路程为5μm，移动的距离大于两个塔尔博特周期的距离，以对光刻胶层301进行曝光；使得在光刻胶层301形成间隔设置的位于曝光区域的第一光刻胶柱以及位于非曝光区域的第二光刻胶柱。在本实施例中，所述曝光条件包括光强、曝光时间、曝光间隙以及曝光积分距离，其中，所述光强为0.3～0.5μw/cm2，曝光时间为17
±
1s，曝光积分距
离为5
±
0.5μm，所述曝光剂量为6.6～7mj/cm2；所述曝光间隙根据光栅结构上两个第二相移区域的间距以及曝光光源的波长和光刻版上光栅掩膜结构图形的光栅周期计算得到，请返回参考图4，图中mask表示光刻版，wafer表示衬底(或基片)：
58.gap＝w/tanθ
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(1)
59.其中，gap为曝光间隙；2w为两个第二相移区域的间距；θ为第一相移区域的衍射方向与垂直于光刻版方向的夹角，其与光刻机的曝光光源的波长和光刻版上第一均匀区域的光栅周期相关，所述第一相移区域的衍射方向与垂直于光刻版方向的夹角θ通过如下公式计算得到：
60.θ＝arcsin(λ/p)
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(2)
61.其中，λ为光刻机的曝光光源的波长(也即入射光波长)，p为光刻版上第一均匀区域的光栅周期。在本实施例中，计算得到的曝光间隙为112
±
1μm。
62.s303：将曝光后的一次外延片浸泡于显影液中对曝光后的光刻胶层301进行显影，以去除曝光区域的第一光刻胶柱，形成光刻胶掩膜结构302，所述光刻胶掩膜结构302对应已除去的各第一光刻胶柱的位置处形成有使光栅层202的表面显露于外的刻蚀窗口302a。
63.在本实施例中，光刻胶层301在曝光过程中，由于光刻版上的透光区域(也即第二栅槽102a对应的区域)和不透光区域(即石英条对应的区域)的中间位置的衍射光场将使得光刻胶层301上对应位置的光刻胶接收到相同的曝光剂量，从而使得在光刻胶层301上形成光刻胶掩膜结构302图像产生倍频，即曝光显影后，光刻胶掩膜结构302上第三均匀区域的周期为光刻版上光栅掩膜结构102上第一均匀区域的光栅周期的一半，也即200nm，而光刻胶掩膜结构302的第三相移区域的最大周期为光栅掩膜结构102的第一相移区域最大光栅周期的一半，也即300nm，由于光刻胶掩膜结构302的第三相移区域对应的周期呈对称的非线性变化，则可得到光刻胶掩膜结构302的第三相移区域对应的周期在200nm～300nm之间呈对称的非线性变化(关系曲线如图6所示)。
64.s4：刻蚀第一栅槽401a，形成光栅结构401。
65.具体的，利用所述光刻胶掩膜结构302，采用湿法或干法的方式在所述刻蚀窗口302a处向下刻蚀光栅层202和衬底201层，形成与刻蚀窗口302a一一对应的第一栅槽401a以及与第二光刻胶柱对应的光栅条，所述第一栅槽401a与光栅条间隔设置形成光栅结构401，然后将光栅条上的光刻胶掩膜结构302(即第二光刻胶柱)剥离，形成光栅结构401。在本实施例中，在对所述光栅层202进行刻蚀时为过刻蚀，即刻蚀深度大于光栅层202的厚度，所述刻蚀深度优选为30～50nm。
66.所述光栅结构401具有若干呈间隔分布且与所述光栅掩膜结构102上第一相移区域和第二相移区域呈倍频变化第二相移区域和第二均匀区域，所述第二相移区域的光栅周期呈对称的非线性变化，所述第二均匀区域的光栅周期恒定。所述第二相移区域与所述第三相移区域对应，其数量为第一相移区域的两倍且最大光栅周期为第一相移区域对应的最大光栅周期的一半，也即300nm，对应的，第二相移区域的光栅周期也在200nm～300nm之间呈对称的非线性变化，同样，第二均匀区域的第三均匀区域对应，其光栅周期为第一均匀区域的光栅周期一半，也即200nm。
67.s5：对光栅结构401进行掩埋形成二次外延片。
68.对所述步骤s4中得到的一次外延片的光栅结构401的上方继续依次生长p-inp层
501和zn掺杂的p-ingaas欧姆接触层502，对光栅结构401进行掩埋，得到二次外延片。
69.本实施例的分布反馈式激光器的光栅结构的制备方法，基于衍射自成像原理，利用具有第一相移区域的光刻版在光栅层202上方的光刻胶层301进行曝光形成光刻胶掩膜结构302，并通过控制形成光刻胶掩膜结构302时的曝光剂量和曝光间隙来控制曝光区域图形的变化曲线，使制得一包括有光栅周期呈对称非线性变化的第二相移区域的光栅结构401，曝光速度远超过电子束直写的曝光速度，便于工业大规模量产，且图形清晰、重复性好。
70.实施例2
71.如图7～8所示，为本实施例的分布反馈式激光器的制备方法的流程图。本实施例在制备分布反馈式激光器时，其光栅结构401基于实施例1的分布反馈式激光器的光栅结构的制备方法制备得到。具体的，本实施例的分部反馈式激光器的制备方法包括以下步骤：
72.p1：制备分布反馈式激光器的光栅结构401并掩埋得到二次外延片。
73.具体的，采用实施例1的制备方法制备得到分布反馈式激光器的光栅结构401及其二次外延片。如图9所示，所述步骤p1包括以下子步骤：
74.p101：设计并制作光刻版。
75.首先根据需要制备的光栅结构401的光栅周期以及光栅周期的占空比，确定光刻版上光栅掩膜结构102各第一相移区域的长度、最大光栅周期和光栅周期变化量以及第一均匀区域的光栅周期，然后提供一石英板101，并在该石英板101的下表面按照所述第一相移区域的长度以及光栅周期变化量刻蚀出若干沿水平方向间隔布置的第二栅槽102a和石英条，以在石英板101的下表面形成一光栅掩膜结构102，得到具有所述光栅掩膜结构102的光刻版。
76.p102：生长形成一次外延片。
77.具体的，提供一衬底201，并在所述衬底201上生长一层光栅层202形成一次外延片。在本实施例中，所述衬底201可选择inp衬底201，所述光栅层202的生长厚度为30
±
2nm。
78.p103：在一次外延片上形成光刻胶掩膜结构302。
79.在所述一次外延片上涂覆形成一光刻胶层301，并在预设曝光条件和曝光剂量下对光刻胶层301进行曝光得到光刻胶掩膜结构302图形，最后对曝光后的光刻胶掩膜结构302图形进行显影以在一次外延片上形成光刻胶掩膜结构302。
80.p1031：在所述一次外延片的上表面(也即光栅层202的上表面)均匀涂覆一层光刻胶层301并对所述光刻胶层301进行烘烤。
81.p1032：将所述光刻版的光栅掩膜结构102的一侧朝下与光刻胶层301相对，并将光刻版与一次外延片进行对准，采用塔尔博特效应的深紫外光刻机的高斯模式，设置其对应的曝光条件和曝光剂量，以所述光刻版作为掩膜，控制一次外延片在垂直于光刻版的方向上下移动，其移动的总路程为5μm，移动的距离大于两个塔尔博特周期的距离，以对光刻胶层301进行曝光。
82.p1033：将曝光后的一次外延片浸泡于显影液中对曝光后的光刻胶层301进行显影，以去除曝光区域的第一光刻胶柱，形成光刻胶掩膜结构302，所述光刻胶掩膜结构302对应已除去的各第一光刻胶柱的位置处形成有使光栅层202的表面显露于外的刻蚀窗口302a。
83.p104：刻蚀第一栅槽401a，形成光栅结构401。
84.利用所述光刻胶掩膜结构302，采用湿法或干法的方式在所述刻蚀窗口302a处向下刻蚀光栅层202和衬底201层，形成与刻蚀窗口302a一一对应的第一栅槽401a以及与第二光刻胶柱对应的光栅条，所述第一栅槽401a与光栅条间隔设置形成光栅结构401，然后将光栅条上的光刻胶掩膜结构302(即第二光刻胶柱)剥离，形成光栅结构401。
85.p105：对光栅结构401进行掩埋形成二次外延片。
86.对所述步骤s4中得到的一次外延片的光栅结构401的上方继续依次生长p-inp层501和zn掺杂的p-ingaas欧姆接触层502，对光栅结构401进行掩埋，得到二次外延片。
87.在本实施例中，所述步骤p101～p105与实施例1中的步骤s1～s5一一对应，具体参见实施例1的描述，本实施例不做赘述。
88.p2：基于光栅结构401制备激光器芯片。
89.根据步骤p1中制备得到的分布反馈式激光器的光栅结构401及其二次外延片，按照一般的分布反馈式激光器的制备工艺流程制备激光器芯片，本实施例不做赘述。
90.p3：对激光器芯片进行测试。
91.对所述激光器芯片的波长和边模抑制比进行测试，当所述波长和边模抑制比达到测试条件时，制备得到分布反馈式激光器，否则重复执行步骤p1的全部或部分步骤，直至所述激光器芯片的波长和边模抑制比进行测试达到测试条件。在本实施例中，所述激光器芯片的波长为1310nm，常温测试条件下边模抑制比为45db、高温测试条件下边模抑制比为40db。
92.具体的，所述步骤p3包括以下子步骤：
93.p301：测试激光器芯片的波长和边模抑制比。
94.p302：判断波长和边模抑制比是否均达到测试条件，若是则跳转执行步骤p303，否则返回执行步骤p1032，对曝光条件中的曝光间隙和曝光剂量进行调整以改变光栅周期的占空比后重新对光刻板进行曝光，进而重新制备光栅结构401。
95.如图10所示，作为本实施例的另一可选方式，当重新制备光栅结构401后，激光器芯片的波长和边模抑制比仍不能达到测试条件的，还可返回执行步骤p101，改变光刻板的第一相移区域的长度，重新制作光刻板，进而重新制备光栅结构401。
96.p303：制备得到分布反馈式激光器。
97.本实施例的分布反馈式激光器的制备方法，基于衍射效应，在分布反馈式激光器的光栅结构401中制备若干段光栅周期呈对称非线性变化的第二相移区域，在满足分布反馈式激光器具有高速、窄线宽及动态单模工作特性的同时，还能实现大规模的工业生产且良品率高，从而降低生产成本。
98.实施例3
99.本实施例的分布反馈式激光器采用实施例2的分布反馈式激光器的制备方法制备得到，其包括有采用实施例1的分布反馈式激光器的光栅结构的制备方法制备得到光栅结构401。
100.具体的，本实施例的分布反馈式激光器包括一光栅结构401，所述光栅结构401具有若干间隔设置的第二相移区域和第二均匀区域，所述第二均匀区域的光栅周期恒定，所述第二相移区域的光栅周期大于第二均匀区域的光栅周期，所述第二相移区域各位置的光
栅周期与第二均匀区域的光栅周期之间的周期差值为不定值，其光栅周期在第二相移区域内由起始位置开始按既定曲线增加到最大光栅周期后再按所述既定曲线减小到第二相移区域的结束位置，使得第二相移区域的光栅周期呈对称的非线性变化。
101.本实施例的分布反馈式激光器，其光栅结构401基于衍射自成像原理曝光、显影、刻蚀得到，通过精准控制制备过程中一次外延片与光刻版之间的曝光间隙，使得曝光后的光刻胶掩膜结构302图形的重复性好，曝光速度快，有利于提高生产效率、降低生产成本。