商宇，范杰，王海珠，鄒永剛，馬曉輝

（長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，長春 130022）

0 引言

光柵作為一種重要的光學(xué)元件，因其具有波長變換、耦合等功能，已被廣泛應(yīng)用于激光通訊、光信息處理、光電探測和光學(xué)精密測量控制［1-5］等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的法布里-珀羅半導(dǎo)體激光器中加入光柵結(jié)構(gòu)作為選模元件，可以有效地改善半導(dǎo)體激光器的光譜特性，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器窄線寬、波長可調(diào)諧等功能［6-8］。

為了能夠?qū)Π雽?dǎo)體激光器諧振腔內(nèi)的光子起到更好的衍射作用，通常完成激光器外延結(jié)構(gòu)中有源區(qū)的生長后，將光柵制作在有源區(qū)附近的波導(dǎo)層上，然后借助材料二次外延技術(shù)完成剩余功能層的生長。2010年，德國費(fèi)迪南德-伯恩研究所制備了一種分布反饋（Distributed Feedback，DFB）半導(dǎo)體激光器［9］，研究人員在波導(dǎo)層上刻蝕了周期為324 nm 的二階光柵，并采用二次外延技術(shù)完成器件外延結(jié)構(gòu)的整體生長。該激光器件實現(xiàn)了1 064 nm 波長激射，并在70 mW 輸出功率下獲得了232 kHz 的線寬。然而，二次外延技術(shù)不僅增加了半導(dǎo)體激光器制作工藝的復(fù)雜度，還容易在激光器內(nèi)引入雜質(zhì)影響器件性能［10-11］。

為此，研究人員近年來圍繞表面光柵半導(dǎo)體激光器開展了大量研究工作［12］。2011 年，芬蘭的Tampere大學(xué)制作了一種光柵周期為405 nm 的DFB 半導(dǎo)體激光器［13］，該激光器最大輸出功率為10 mW，實現(xiàn)了20 GHz的小信號調(diào)制帶寬。為了獲得更高的衍射效率，目前報道的表面光柵DFB 半導(dǎo)體激光器主要采用低階光柵，這就對器件的制作工藝提出了較高要求。因此，通過增加光柵階數(shù)簡化表面光柵制作工藝逐漸成為了DFB 半導(dǎo)體激光器新的探索方向。2018 年，德國費(fèi)迪南德-伯恩研究所提出了基于十階表面布拉格光柵的側(cè)向耦合DFB 半導(dǎo)體激光器［14］，在輸出功率約為46 mW 的情況下，該半導(dǎo)體激光器在404.6 nm 處實現(xiàn)了40 pm 線寬的單峰發(fā)射。同年，中科院長春光機(jī)所報道了一種增益耦合型DFB 半導(dǎo)體激光器［15］，該激光器通過制作周期為4.5 μm 的光柵實現(xiàn)了脊波導(dǎo)表面的周期性電注入，該激光器在48.8 mW 的輸出功率下獲得了971.3 nm 的激射波長以及3.2 pm 的線寬。2019 年，中科院長春光機(jī)所的研究團(tuán)隊基于365 nm 的i 線光源，刻蝕制備了具有錐形放大器結(jié)構(gòu)的器件的光柵［16］，由于具有更短的波長，光刻精度得以進(jìn)一步提高，最終實現(xiàn)了303 mW 的輸出功率和1.4 pm 的線寬。高階表面光柵的周期相對較大，使用接觸式紫外曝光機(jī)即可進(jìn)行光柵圖形的曝光，并借助光刻膠作為掩膜的干法刻蝕工藝完成光柵的制作。然而，隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，表面光柵半導(dǎo)體激光器件的結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，往往需要獨立的微納工藝制作表面光柵結(jié)構(gòu)。由于先期制作的脊波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)使外延片表面呈現(xiàn)高低起伏的狀態(tài)，作為光柵掩膜的光刻膠圖形邊緣易發(fā)生形變，從而對光柵結(jié)構(gòu)造成影響。因此，在表面光柵半導(dǎo)體激光器的制作過程中，通常先進(jìn)行表面光柵的制作。然而，這就需要額外增加光柵的保護(hù)工藝，以避免后續(xù)器件工藝損壞光柵結(jié)構(gòu)，這將增加器件工藝的制備復(fù)雜度。

為此，本文提出了一種基于掩埋金屬掩膜的表面光柵DFB 半導(dǎo)體激光器制備工藝。該掩埋金屬掩膜工藝方案預(yù)先在外延片表面制作具有光柵圖形的Ni-Au 金屬掩膜，在完成器件所需制作工藝并去除波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面鈍化層后，在露出的掩埋Ni-Au 金屬掩膜和剩余鈍化層的共同阻擋作用下，通過干法刻蝕工藝在脊波導(dǎo)表面制作形成光柵結(jié)構(gòu)。在該掩埋金屬掩膜方案中，先進(jìn)行Ni-Au 金屬掩膜制作工藝的設(shè)計避免了外延片表面高低起伏形貌對光柵掩膜的影響，后期進(jìn)行表面光柵刻蝕的設(shè)計使得該工藝方案無需額外增加光柵保護(hù)工藝。

1 器件制備工藝方案

圖1 給出了基于掩埋金屬掩膜的DFB 半導(dǎo)體激光器制備工藝方案。首先，在外延片表面旋涂負(fù)性光刻膠，經(jīng)紫外曝光、顯影后，得到具有光柵圖形的光刻膠掩膜。通過磁控濺射的方法，在外延片的表面依次磁控濺射厚度為20 nm 的Ni 薄膜層和厚度為80 nm 的Au 薄膜層，并借助lift-off 剝離工藝，在剝離掉光柵圖案之外的金屬后獲得具有光柵圖形的Ni-Au 金屬掩膜，如圖1（a）所示。然后，在外延片表面旋涂正性光刻膠，經(jīng)紫外套刻曝光后，顯影形成脊波導(dǎo)圖案。在進(jìn)行堅膜后，以光刻膠為掩膜，使用感應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）干法刻蝕外延片，形成如圖1（b）所示的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過去膠處理后，使用離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相沉積法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）在外延片的表面沉積厚度為300 nm 的SiO2鈍化層，再次通過旋涂正性光刻膠進(jìn)行電極窗口的套刻，通過曝光顯影形成電極窗口圖案后，使用BOE 腐蝕液去除脊波導(dǎo)表面的SiO2鈍化層，形成電注入窗口，同時露出被掩埋在鈍化層下方的Ni-Au 金屬掩膜，如圖1（c）所示。對外延片進(jìn)行ICP 干法刻蝕，在掩埋Ni-Au 金屬掩膜和剩余鈍化層的共同阻擋作用下，在脊波導(dǎo)表面形成表面光柵，如圖1（d）所示。最后，采用磁控濺射在半導(dǎo)體外延片的P 面濺射Ti/Pt/Au 形成器件的P 面電極，經(jīng)減薄、拋光處理后，在半導(dǎo)體外延片的N 面濺射Au/Ge/Ni 形成器件的N 面電極，并完成熱退火等后續(xù)器件工藝。

采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）在GaAs（100）向＜011＞偏2°的N 型摻雜襯底片上生長激光器件的外延結(jié)構(gòu)，其包含厚度為7 nm/14.6 nm 的In0.26Ga0.74As/GaAs0.84P 單量子阱結(jié)構(gòu)、厚度均為0.3 μm 的Al0.3Ga0.7As N 型和P 型波導(dǎo)層、厚度分別為1.95 μm 和1.4 μm 的Al0.5Ga0.5As N 型和P 型限制層，并在外延片表面生長有一層厚度為0.15 μm 的高摻GaAs 蓋層。分別使用Ni-Au 金屬薄膜和光刻膠薄膜作為掩膜，經(jīng)ICP 干法刻蝕獲得兩個脊表面光柵樣品，其金相顯微鏡照片如圖2 所示。ICP 刻蝕過程中，RF 功率和ICP 功率分別為50 W 和400 W，壓力和溫度分別為0.2 Pa 和30 ℃，Cl2、BCl3和Ar 氣體流量分別為20 sccm、5 sccm 和5 sccm（Standard Cubic Centimeter per Minute）。Ni-Au 金屬掩膜較為堅固，且在定型之后不會輕易發(fā)生形變或邊緣塌陷，因此在ICP 刻蝕過程中，掩埋Ni-Au 金屬掩膜具有更好的抗刻蝕效果，保證了光柵的邊緣形貌。由圖2（a）可以看出，對于掩埋Ni-Au 金屬掩膜工藝，刻蝕的光柵邊緣較為平直，光柵形貌良好。與掩埋Ni-Au 金屬掩膜相比，光刻膠掩膜的抗刻蝕能力較差，其在ICP刻蝕過程中易出現(xiàn)塌邊，導(dǎo)致掩膜邊緣產(chǎn)生形變，從而致使刻蝕形成的光柵形貌受損。如圖2（b）所示，對于光刻膠掩膜工藝，刻蝕的光柵邊緣形變較為明顯，光柵形貌相對較差。這在一定程度上削弱了光柵的周期性微擾，將減弱光柵對器件諧振腔內(nèi)光子的衍射作用。

采用掩埋金屬掩膜制備工藝方案制作了表面光柵DFB 半導(dǎo)體激光器件（Buried Metal Distributed Feedback，BM-DFB），如圖3 所示。該激光器件腔長1 mm，脊波導(dǎo)寬度為50 μm，基于理論分析并使用FDTD 軟件進(jìn)行模擬，高階表面光柵也可獲得較好的耦合強(qiáng)度，但對于模擬時采用的偶數(shù)階光柵，當(dāng)占空比為0.5 時光柵的反射率為0，綜合考慮光柵的特性及制作工藝難度，選用周期為10 μm、占空比為0.6 的光柵參數(shù)。同時因脊波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕10 μm 寬的微結(jié)構(gòu)，因此將光柵寬度選定為25 μm，在脊波導(dǎo)兩側(cè)制作有周期性重復(fù)的梯形微結(jié)構(gòu)以抑制激光器件的高階側(cè)模［17-18］，如圖3（a）所示。在完成器件的制作工藝后，將器件解理成單管芯，并將器件P 面向上封裝在C-mount 熱沉上以備測試，如圖3（b）所示，綠色圓圈內(nèi)即為解理后的器件，表面連接金絲以注入電流，銀色部分是以In 為材料制成的焊料。同時為對比分析，采用光刻膠作為表面光柵的刻蝕掩膜，制作了結(jié)構(gòu)相同的DFB 半導(dǎo)體激光器件（Photoresist Mask Distributed Feedback，PM-DFB）。

2 器件測試分析

器件制作完成后，在溫控模塊的作用下，使用海洋光學(xué)HR4000 高分辨率光譜儀對激光器件不同溫度時的光譜特性進(jìn)行了測試。光譜儀探測的光譜范圍為700 nm～1 100 nm，探測器為3 648 像素線陣探測器。圖4 給出了兩種器件的光譜特性及中心波長對應(yīng)的半高全寬。測試過程中，器件的驅(qū)動電流固定為0.5 A。由圖4（a）和圖4（b）可以看出，在工作溫度穩(wěn)定在20℃的情況下，BM-DFB 在中心波長為1 042 nm 處的半高全寬約為0.23 nm，經(jīng)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其邊模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）為12 dB；而PM-DFB 在1 048 nm 的中心波長下半高全寬約為0.56 nm，SMSR 為10 dB；而PM-DFB 在1 048 nm 的中心波長下半高全寬約為0.56 nm，SMSR 為10 dB。BM-DFB 與PM-DFB 相比，光譜的半高全寬降低了59%，SMSR 提高了16.7%。因此BM-DFB 器件具有更好的單縱模性能。而BM-DFB 縱模性能的改善主要得益于BM-DFB 的光柵的形貌及折射率具有更好的周期重復(fù)性。因此，掩埋金屬掩膜制備工藝方案有利于DFB 半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定性的提升。

圖5 所示為BM-DFB 和PM-DFB 的功率-電流-電壓（P-I-V）測試結(jié)果。測試過程中，激光器件的工作溫度保持在25℃。由圖5 可知，BM-DFB 閾值電流約為200 mA，此后隨著輸入電流增大，器件的電壓及輸出功率也逐步上升，在1.1 A 的輸入電流下達(dá)到飽和，獲得了245 mW 的輸出功率。PM-DFB 的閾值電流約為100 mA，器件的電壓及輸出功率也隨著輸入電流的增大而增加，但在輸入電流超過閾值電流后，隨電流的增加PM-DFB 的電壓增加更加顯著，經(jīng)分析認(rèn)為這是由于正膠工藝中未能將正膠完全清除，從而導(dǎo)致器件的電流注入效率下降。當(dāng)輸入電流達(dá)到0.8 A 時，PM-DFB 的輸出功率達(dá)到飽和，約為240 mW。

圖6 為輸入電流在0.5 A 時BM-DFB 與PM-DFB 的遠(yuǎn)場光斑，在50 μm 的脊寬條件下兩者均呈“單瓣”，光斑中間并無斷處，光場中間的能量更為集中，呈高斯分布。通常對于脊波導(dǎo)寬度超過50 μm 寬的器件，其遠(yuǎn)場光斑會發(fā)生分瓣。通過遠(yuǎn)場光斑圖可知，兩種工藝制備的側(cè)向微結(jié)構(gòu)DFB 半導(dǎo)體激光器件實現(xiàn)了對高階橫模的抑制，保障了光束質(zhì)量。這表明脊波導(dǎo)兩側(cè)的微結(jié)構(gòu)消除了遠(yuǎn)場光斑“多瓣”現(xiàn)象，對器件的光斑輸出質(zhì)量起到了良好的提升作用。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于掩埋金屬掩膜的表面光柵DFB 半導(dǎo)體激光器制備工藝，通過預(yù)先在半導(dǎo)體外延片表面預(yù)先制作Ni-Au 金屬層、制備出光柵的硬掩膜，在隨后完成脊波導(dǎo)制作后刻蝕出光柵，成功減小其它器件工藝對光柵結(jié)構(gòu)的影響，從而獲得了更好的光柵結(jié)構(gòu)，改善了BM-DFB 器件的輸出線寬特性。與常規(guī)工藝制備的表面光柵DFB 半導(dǎo)體激光器相比，其光譜的半高全寬僅為0.23 nm，低于常規(guī)工藝的0.56 nm，邊模抑制比由10 dB 提升至12 dB，單縱模性能更加優(yōu)良。輸入電流為1 A 時，器件輸出功率均可達(dá)240 mW 左右。該研究為相關(guān)器件結(jié)構(gòu)的光柵設(shè)計與提供了新方法。