同一半导体芯片不同周期全息光栅的制作方法

摘要

一种同一半导体芯片上不同周期全息光栅的制作方法，包括：在衬底上依次生长下波导层、多量子阱层、上波导层和保护层，得到含有半导体波导结构的芯片；将含有半导体波导结构芯片上表面的保护层均匀地涂光刻胶、掩膜光刻、显影、部分腐蚀保护层，得到第一周期光栅的制作区域；采用光学全息曝光的方法在腐蚀掉保护层的部分、上波导层上制作第一周期光栅；腐蚀掉剩余的保护层；在整个芯片表面均匀地涂聚酰亚胺，保护第一周期光栅；在聚酰亚胺表面涂光刻胶，掩膜光刻，显影定形；部分腐蚀第二周期光栅区域表面的聚酰亚胺，得到第二周期光栅的制作区域；采用光学全息曝光的方法在腐蚀掉聚酰亚胺的部分、上波导层上制作第二周期光栅。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不同周期全息光栅的制作方法，特别涉及一种半导体光电子集成器件(如激光器，光耦合器，光转换器等)中，同一芯片上具有不同的光栅周期的布拉格全息光栅的制作方法。这种布拉格光栅在器件中用来做波长选择器。

背景技术

光栅制作的传统方法是用机械划刻机直接在光栅材料(如半导体、晶体、塑料、玻璃)表面刻出一条条的沟槽。这种方法对光刻机的精度和灵活性要求很高，几乎达到了机械加工的极限精度。因此设备昂贵，工作效率低。制作光栅的成本高，周期长，同时会在衍射光谱中引入鬼线这样的误差。

采用全息曝光的方法制作光栅，两束具有一定波长，一定夹角的光在光刻胶上形成干涉条纹，显影后，用湿法或干法腐蚀光栅材料。这种方法设备简单，成本低，广泛用于半导体光电子器件中布拉格光栅的制作。但是只能大面积的制作周期均匀的光栅，不能在同一芯片上实现不同周期的光栅。

专利US5668047中使用了电子束的全息曝光系统，制作同一半导体芯片上不同区域不同周期的光栅。首先在芯片上涂对电子束敏感的光刻胶，然后用一束半径一定，计量可调的电子束扫描芯片表面，接着使用氯气进行干法刻蚀，将光刻胶的图形转移到半导体芯片表面，同时对光刻胶进行灰化处理，得到不同区域不同深度不同周期的光栅。这种方法使用的电子束曝光机昂贵复杂，直接写光栅的速度极慢。因此费时费工，在使用上有很大的局限性。

专利CN1335521A中提出采用激光扫描的制作不同周期的光栅。光栅材料放到由计算机控制的移动平台上进行激光步进式线扫描，通过调节扫描的脉冲宽度、频率、入射角度、功率密度等工艺参数，在材料表面得到规整的光栅结构。这种方法光栅的制作装置，比传统的全息曝光控制复杂。用于半导体芯片加工中，与传统工艺不太匹配，会使成本增高，工艺复杂化。

发明内容

本发明的目的是提供一种同一半导体芯片不同周期全息光栅的制作方法，这种方法以传统简单的光学全息曝光为基础，选用聚酰亚胺作为保护材料，保护已做好的周期的光栅A，制作另一周期的光栅B。

本发明的另一目的是提供一种同一半导体芯片不同周期全息光栅的制作方法，这种方法的设备简单，方便操作，与半导体光电集成的工艺兼容，可以广泛用于半导体光电集成器件中，成本低，效率高。

本发明一种同一半导体芯片上不同周期全息光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次生长下波导层、多量子阱层、上波导层和保护层，得到含有半导体波导结构的芯片；

步骤2：将含有半导体波导结构芯片上表面的保护层均匀地涂光刻胶、掩膜光刻、显影、部分腐蚀保护层，得到第一周期光栅的制作区域；

步骤3：采用光学全息曝光的方法在腐蚀掉保护层的部分、上波导层上制作第一周期光栅；

步骤4：腐蚀掉剩余的保护层；

步骤5：在整个芯片表面均匀地涂聚酰亚胺，保护第一周期光栅；

步骤6：在聚酰亚胺表面涂光刻胶，掩膜光刻，显影定形；

步骤7：部分腐蚀第二周期光栅区域表面的聚酰亚胺，得到第二周期光栅的制作区域；

步骤8：采用光学全息曝光的方法在腐蚀掉聚酰亚胺的部分、上波导层上制作第二周期光栅。

其中所述的衬底为磷化铟衬底。

其中所述的多量子阱为铟镓砷磷材料。

其中所述的波导层是铟镓砷磷体材料波导层。

其中所述的保护层为磷化铟保护层，其厚度在100nm-400nm之间。

其中所述的腐蚀液是盐酸和水的混合物，其盐酸和水的比例为4∶1腐蚀液。

其中所述的全息曝光方法中的刻蚀，包括干法刻蚀和湿法腐蚀；干法刻蚀是电子回旋共振方法，湿法刻蚀是利用饱和溴水作为腐蚀液。

本方法与现有的半导体材料工艺兼容，采用传统的光学全息曝光的方法，选用聚酰亚胺保护已做好的第一周期光栅，实现同一半导体芯片上不同区域不同周期的布拉格光栅的制作。本方法工艺设备简单易于操作，工艺步骤成熟易于实现。用于半导体光电子集成器件的制作，成本低，效率高，得到的器件性能稳定。可以制作有源器件如激光器，无源器件如光耦合器，光转换器等集成光电子器件。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实例对本发明作进一步的描述，其中：

图1是第一周期光栅A制作区域示意图；

图2是第二周期光栅B制作区域示意图：

图3是同一半导体芯片上不同周期光栅示意图；

图4是实例中光栅的扫描电镜照片；

图5是实例制作的激光器的激射光谱图；

具体实施方式

请结合参阅图1，图2，图3，本发明一种同一半导体芯片上不同周期全息光栅的制作方法，包括如下步骤：

(1)清洗外延生长了波导结构的半导体芯片。该波导结构包括：在磷化铟衬底1上依次生长下波导层铟镓砷磷2、铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3、上波导层铟镓砷磷4和保护层磷化铟5。

(2)在芯片表面磷化铟层上均匀地涂光刻胶，掩膜光刻，显影定形得到第一周期光栅A的制作区域，宽度为250um。

(3)腐蚀外延结构的表层保护材料磷化铟5。

(4)采用传统的光学全息曝光的方法在相应的区域制作第一周期光栅A。两束相干光的波长是325nm，夹角是41.65度，光栅的周期是244.5nm。

(5)清洗芯片，腐蚀第二周期光栅B区外延结构的表层保护材料磷化铟5。

(6)芯片表面均匀地涂聚酰亚胺6，保护第一周期光栅A。

(7)聚酰亚胺6表面涂光刻胶，掩膜光刻，显影定形。

(8)腐蚀第二周期光栅B区域表面的聚酰亚胺6，得到第二周期光栅B的制作区域，宽度为250um。

(9)采用传统的光学全息曝光的方法在相应的区域制作第二周期光栅B。两束相干光的波长是325nm，夹角是42.31度，光栅的周期是241.4nm。

(10)外延生长磷化铟盖层和铟镓砷接触层。

(11)掩膜光刻激光器的条形结构，不同周期光栅间的电隔离沟，和激光器侧向控制区。在隔离沟和侧向控制区注入He离子做电隔离。

(12)溅射激光器p面电极，蒸发n面电极。解理包含不同周期光栅的分布反馈串联激光器。图4是本发明的扫描电镜照片；图5是测试得到的激射光谱图，两个激射峰证实了周期不同的两个光栅，作为布拉格反射器，选择了相应的两个不同波长。

本方法与现有的半导体材料工艺兼容，采用传统的光学全息曝光的方法，选用聚酰亚胺保护已做好的第一周期光栅，实现同一半导体芯片上不同区域不同周期的布拉格光栅的制作。本方法工艺设备简单易于操作，工艺步骤成熟易于实现。用于半导体光电子集成器件的制作，成本低，效率高，得到的器件性能稳定。可以制作有源器件如激光器，无源器件如光耦合器，光转换器等集成光电子器件。