全息光刻制備808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器

王 岳， 王 勇， 李占國*， 尤明慧

(1. 長春理工大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 長春 130022； 2. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130018)

1 引 言

在高功率808 nm 波長鎖定半導(dǎo)體激光器的研制方面，通常采用的方法是利用體布拉格光柵(VBG)外腔反射鏡與高功率半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的外腔半導(dǎo)體激光器。通過外部波長穩(wěn)定方案能獲得最小的溫度漂移和光譜帶寬分別約為0.01 nm/K和0.3 nm[1-5]。然而，外腔激光器在使用上需要高度對準、復(fù)雜精密且十分敏感的外腔波長鎖定系統(tǒng)[6]，因而使系統(tǒng)體積變大，穩(wěn)定性降低，對環(huán)境要求極高，十分不便于應(yīng)用。此外，還需要配套昂貴的散熱裝置，也增加了泵浦系統(tǒng)的制造成本和價格[7-10]。由于半導(dǎo)體激光器傳統(tǒng)的波長鎖定方案中由于外腔波長鎖定系統(tǒng)對外部環(huán)境的依賴，和內(nèi)置光柵方案中由于芯片進行二次外延生長會產(chǎn)生污染并引入缺陷等問題[11-12]，本文采用在邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的出光面制作光柵的一種全新的半導(dǎo)體激光器波長鎖定方案。

2 實 驗

全息光刻系統(tǒng)的光路示意圖如圖1所示。光源為325 nm的He-Cd@50 mW激光器。反射鏡、功率探測器用來實時監(jiān)測功率，經(jīng)透過率為99%的半透半反鏡，把光分成兩束，一束傳輸?shù)綁弘娞沾煞瓷溏R，一束傳輸?shù)饺瓷溏R，經(jīng)過紫外擴束鏡和準直透鏡后匯聚到工件支架。

圖1 全息光刻系統(tǒng)光路圖

對于入射激光波長為325 nm、干涉條紋周期為240 nm的光路，半角θ(雙光束與法線的角度)為42.6°。在實際操作中，采用光闌進行濾光和“L”型擋光板阻擋雜散光，以實現(xiàn)對光的限制從而保障光柵條紋的質(zhì)量[6]。

2.1 光柵圖形的制備工藝流程

光柵圖形的制備主要分兩步進行：首先是通過采用全息光刻技術(shù)，在半導(dǎo)體激光器腔面上制備帶有光刻膠的腔面光柵掩膜圖形；然后再通過腔面鍍膜技術(shù)制備腔面光柵。實驗工藝流程如下：

外延片表面清洗：在實驗之前對外延片表面進行清洗。采用的方法是：用丙酮、乙醇在超聲清洗機下反復(fù)清洗，直到表面干凈，用去離子水沖洗后再吹干。

前烘：為了除去外延片表面的水分，首先要對外延片進行前烘，即把清洗過的外延片放在加熱板上加熱一定時間，從而使光刻膠與外延片之間沒有氣泡且良好、均勻地接觸。

勻膠：通過勻膠機在外延片或襯底片上均勻地涂上光刻膠。把前烘后的外延片中心部位吸在勻膠機轉(zhuǎn)盤的吸口處，用膠頭滴管將光刻膠均勻地滴在外延片上，然后執(zhí)行轉(zhuǎn)動程序。

后烘：把勻膠后的外延片放在加熱板上加熱一段時間，這樣存在于光刻膠中的大部分溶劑經(jīng)過高溫被蒸發(fā)掉，去除了光刻膠內(nèi)的水分，使光刻膠變得較為干燥，并且使光刻膠與外延片貼合緊密，降低光刻膠的流動性，提高光刻膠的粘附性和耐磨性。

全息曝光：把后烘后的外延片放在全息曝光光路的支架臺上，進行曝光。這個過程中曝光的時間非常的重要，它是影響光柵質(zhì)量的重要因素。若曝光時間不足，光刻膠曝不透，這樣也很難刻蝕出光柵圖形。

顯影：將沒有經(jīng)過曝光的光刻膠與顯影液發(fā)生反應(yīng)，使這部分光刻膠溶于顯影液中，最后出現(xiàn)所需的光刻圖形。

堅膜：經(jīng)過顯影后，光刻膠會發(fā)生一些變化，比如軟化、膨脹等。所以在結(jié)束顯影后，對光刻膠進行堅膜的工藝步驟。通過對外延片進行加熱，除去外延片上剩余的顯影液和水，同時使殘留在外延片上的光刻膠溶劑全部揮發(fā)掉，從而提高外延片表面與光刻膠之間的粘附性，增強光刻膠的抗腐蝕性能，使光刻膠在被腐蝕時對外延片起到更好的保護作用。

鍍膜：對經(jīng)過曝光、堅膜后的片子進行鍍膜，得到光柵形貌。鍍膜是通過電子束鍍膜系統(tǒng)在沒有被光刻膠保護的部分沉積光柵材料。

去膠：把鍍膜后的外延片再次用丙酮、乙醇在超聲清洗機清洗，把光刻膠和油脂去掉。

以上工藝步驟是前腔面光柵的制備工藝流程。

2.2 全息曝光制備光柵圖形

在制備光柵之前，先在一塊玻璃板上制作莫爾光柵。把莫爾光柵在光路上復(fù)位，調(diào)節(jié)光柵的位置，就會在莫爾光柵上觀察到莫爾條紋。在實驗中通過鎖定莫爾條紋來控制激光干涉條紋，通過條紋鎖定軟件控制壓電陶瓷位移，使得干涉條紋的位置保持不變，從而實現(xiàn)對光程進行補償、降低環(huán)境干擾和條紋鎖定的目的。理想狀態(tài)下，條紋鎖定軟件可以驅(qū)動壓電陶瓷，校正環(huán)境振動和位移，使得條紋波峰的位置保持不變，此時干涉曝光的效果最佳。壓電陶瓷在整個實驗中起到了降低環(huán)境干擾的作用。

經(jīng)稀釋得到膠厚約為120 nm、曝光時間為180 s、顯影時間為7 s、腔面周期為240 nm、占空比為0.25的光柵掩膜圖形。條紋周期近似為240 nm，占空比為0.25，說明全息光刻系統(tǒng)光路設(shè)計合理，符合808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器腔面光柵的設(shè)計要求。另外，從照片中也可以看出，光柵條紋均勻、平整且連續(xù)，具有完美的表面形貌，說明全息光刻條件合適，曝光時間、顯影時間等能夠滿足808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器腔面光柵的制備要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器前腔面光柵膜層

為了簡化半導(dǎo)體激光器前腔面光柵的制備工藝，首先在前腔面沉積無吸收透明窗口Si3N4鈍化層作為增透膜，然后在增透膜的基礎(chǔ)上沉積增反膜光柵，周期為240 nm，占空比為0.25。實驗采用在GaAs和玻璃襯底上沉積與前腔面相同條件的光柵作為陪片，增透膜材料為Si3N4，厚度為101 nm，增反膜系材料為[Ge/SiO2]3Ge，厚度為Ge/SiO2=48.1 nm/138.4 nm，周期為240 nm，占空比為0.25。圖2為GaAs襯底上沉積增反膜光柵的掃描電子顯微鏡(SEM)測試照片。從圖中可以看出，光柵周期近似為240 nm，能夠滿足808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器腔面光柵的設(shè)計要求。圖3為玻璃襯底上沉積增反膜光柵的反射譜曲線。從圖中可以看出，光柵反射譜的峰值位于808 nm，反射線寬為0.4 nm，因此可以有效地降低輸入光譜的寬度。另外，光柵反射譜0級衍射峰的外側(cè)還存著2個對稱的1級衍射峰，說明該反射膜光柵具備了典型光柵的衍射特征。

圖2 GaAs襯底上沉積增反膜光柵的SEM測試照片

Fig.2 SEM image of deposited antireflective film grating on GaAs substrate

圖3 玻璃襯底上沉積增反膜光柵的反射譜

Fig.3 Reflection spectrum of antireflective film grating deposited on glass substrate

3.2 腔面光柵半導(dǎo)體激光器單管芯器件的制備與表征

808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)AIXTRON 200-4系統(tǒng)進行外延生長，襯底為2英寸Si摻雜的n型GaAs，晶向為(100)向<111>A偏15，腐蝕坑密度(EPD)≤100 cm-2。外延結(jié)構(gòu)自下而上分別為500 nm n-GaAs緩沖層，1 200 nm n-Al0.45GaAs下限制層，500 nm Al0.3GaAs下波導(dǎo)層，7 nm undoped-Al0.07GaAs/12 nm undoped-Al0.30GaAs雙周期有源層，500 nm Al0.3GaAs上波導(dǎo)層，1 200 nm p-Al0.45GaAs上限制層和100 nm p+-GaAs歐姆接觸層。外延結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 激光器外延結(jié)構(gòu)示意圖

圖5是腔面光柵半導(dǎo)體激光器外延材料的X射線雙晶衍射(XRD)測試曲線。從圖中可以看出：最左邊的主峰為GaAs衍射峰，中間的峰為波導(dǎo)層Al0.30GaAs衍射峰，組分為0.30，最右邊的峰為限制層Al0.45GaAs衍射峰，組分為0.45。而組分為0.07的Al0.07GaAs量子阱衍射峰在XRD圖中不可見，這是由于每個單量子阱的厚度只有7 nm，而2個量子阱的厚度總計也只有14 nm，所以在XRD圖中看不到Al0.07GaAs衍射峰。利用VEGARD定律計算出限制層和波導(dǎo)層的Al組分分別為0.45和0.30。從圖中可以看出GaAs、Al0.3-GaAs和Al0.45GaAs的半高寬分別為9.68,11.86,12.52 arcsec，表明腔面光柵半導(dǎo)體激光器外延材料具有理想的晶格質(zhì)量。

圖5 Al0.45GaAs/Al0.30GaAs/GaAs結(jié)構(gòu)XRD圖

圖6為腔面光柵半導(dǎo)體激光器的Al0.07GaAs/Al0.30GaAs雙周期量子阱結(jié)構(gòu)在0 K和300 K下的光致熒光(PL)測試曲線，激光器采用Ar離子激光器，發(fā)射波長為532 nm，功率為50 mW。在0 K時，PL發(fā)光波長為760 nm，半高寬為2.9 meV；在300 K時，PL發(fā)光波長為815 nm，半高寬為64 meV。通過優(yōu)化MOCVD外延生長條件，降低了由于晶格不完整、表面氧化以及污染等引起的位錯密度，提高了808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器的外延質(zhì)量。

圖6 Al0.07GaAs/Al0.30GaAs雙周期量子阱結(jié)構(gòu)在低溫和室溫條件下的PL譜。(a)T=10 K；(b)T=300 K。

Fig.6 PL spectrum of Al0.07GaAs/Al0.30GaAs double-period quantum well structure at low temperature and room temperature. (a)T=10 K. (b)T=300 K.

工藝制備步聚如下：首先使用PECVD設(shè)備在外延片上沉積厚度約為100 nm的SiO2介質(zhì)膜(作為電絕緣隔離層)，再經(jīng)過常規(guī)光刻、腐蝕工藝形成p型電極窗口(寬度為100m)。然后通過磁控濺射(SPUTTER)設(shè)備沉積Ti/Pt/Au多層金屬(各層厚度為50/100/300 nm)，形成p型歐姆接觸電極，之后濺射Ni/AuGe/Ni/Au多層金屬(各層厚度分別為20/50/3/300 nm)，形成n型歐姆接觸層。樣品再進行合金處理，合金溫度為420 ℃，氣氛為氮氣。經(jīng)過劃片機進行解理，獲得條寬為100m、腔長為2 mm的寬條形半導(dǎo)體激光器單管芯。樣品再通過E-beam鍍膜設(shè)備進行腔面鍍膜，后腔面增反膜材料膜系結(jié)構(gòu)為Si3N4[Ge/SiO2]3Ge，單層厚度為Si3N4/Ge/SiO2=101 nm/48.1 nm/138.4 nm；前腔面光柵增透膜系材料為Si3N4，厚度為101 nm，增反膜系材料為Si3N4[Ge/SiO2]3Ge，厚度為Si3N4/Ge/SiO2=101 nm/48.1 nm/138.4 nm，周期為240 nm，占空比為0.25。最后把管芯焊接到AlN熱沉上，再經(jīng)過健合封裝進TO3管殼中。

實驗開展了808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器單管芯器件的輸出特性表征。圖7展示了條寬為100 μm、腔長為2 mm的808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器單管芯器件在室溫25 ℃時連續(xù)輸出的功率-電流(P-I)和電壓-電流(V-I)測試曲線。在驅(qū)動電流為2.9 A時，連續(xù)輸出功率為2.8 W，閾值電流為0.49 A，斜率效率為1.05 W/A。

圖7 單管芯器件在室溫25 ℃時連續(xù)輸出的P-I和V-I測試曲線

Fig.7P-IandV-Ifor single-die devices at room temperature 25 ℃

圖8為808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器單管芯器件在室溫25 ℃、驅(qū)動電流為2.5 A時的發(fā)射光譜。器件輸出的中心波長為807.32 nm，光譜半寬為0.36 nm，實現(xiàn)了單縱模輸出。圖9是808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器單管芯器件在不同溫度下波長隨溫度的變化曲線。從圖中可以看出，808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器波長隨溫度的漂移系數(shù)大約為0.072 nm/℃，這是由于腔面光柵對波長起到了反饋、耦合和模式選擇的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器的單縱模輸出，從而提高了波長隨溫度變化的穩(wěn)定性。

圖8 室溫25 ℃、驅(qū)動電流為2.5 A時的發(fā)射光譜。

Fig.8 Emission spectrum at room temperature 25 ℃ with a drive current of 2.5 A

圖9 單管芯器件在不同溫度下波長隨溫度的變化曲線

Fig.9 Wavelength with temperature of single-die device at different temperatures

4 結(jié) 論

采用全息光刻制備了腔面光柵，該光柵在降低半導(dǎo)體激光器發(fā)射光譜半寬、穩(wěn)定激光發(fā)射波長等方面具有顯著的效果。制備的808 nm腔面光柵半導(dǎo)體激光器單管芯器件(條寬100m，腔長2 mm)實現(xiàn)了器件輸出中心波長為807.32 nm，光譜半寬為0.36 nm，15～45 ℃溫度范圍內(nèi)波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.072 nm/℃，室溫單管芯最大連續(xù)輸出功率達到2.8 W，斜率效率為1.05 W/A。