Cl2/H2 ICP刻蚀优化及其在1.55μm DFB激光器制作中的应用

　　1　引　言

　　分布反馈(DFB)激光器具有边模抑制比高、谱线宽度窄、动态单纵模特性优良、性能稳定好和可靠性高等诸多优点,是目前光纤通信系统最主要的光源,并且在全光波长转换中有良好应用前景[1,2]。Bragg光栅是DFB激光器制造中的关键工艺,直接决定了DFB激光器的工作波长,对激光器的阈值和斜率效率也有着重要影响[3]。Bragg光栅的制作方法主要有湿法腐蚀和干法刻蚀2种。前者虽然工艺简单,但是腐蚀深度难以控制,均匀性较差,成品率低、重复性不好。相比较而言,后者具有很好的选择性、重复性、均匀性以及各向异性等优点,是制作高性能、低成本DFB激光器的理想技术。但由于光栅位置接近有源层,刻蚀过程中引入的非辐射复合中心会对激光器的性能和寿命产生负面影响。电感耦合等离子体(ICP)刻蚀是一种高密度、低气压法刻蚀技术,通过优化刻蚀气体种类、工作气压、气体流量、ICP功率、射频功率和偏置电压等相关工艺参光电子·激光数,有望实现低损伤刻蚀[4,5]。

　　本文选用Cl2/H2作为ICP刻蚀气体,系统全面地研究了ICP刻蚀InP系材料时关键工艺参数的刻蚀损伤,得到了一种损伤低、形貌良好的Bragg光栅的制作方法。结合优化的InP材料金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长工艺,制作出1.55μm DFB激光器。该器件端面镀膜前的阈值电流和斜率效率分别为10 mA和0.3 mW/mA,边模抑制比大于45 dB;长期老化结果显示,该器件40℃的中值寿命超过2×106h,能够完全满足实际光纤通信系统应用要求,同时也表明了本文Cl2/H2ICP刻蚀低损伤工艺的可靠性。

　　2　Bragg光栅的Cl2/H2ICP低损伤刻蚀工艺

　　研究表明,刻蚀过程中,粒子会沿着材料晶向隧穿从而引入非辐射复合中心,即对材料产生损伤。由于DFB激光器的Bragg光栅层极为靠近有源区,如果ICP参数选择不当,在刻蚀过程中引入的大量非辐射复合中心会大大增加载流子散射几率,减小载流子寿命,从而影响器件的光学和电学特性以及器件的寿命[6~8]。因此,优化ICP刻蚀的关键工艺参数、降低刻蚀损伤,是该技术引入到DFB激光器等半导体光电子器件制作的关键[9]。

　　刻蚀过程中,提高刻蚀速率、降低粒子能量能有效降低刻蚀损伤。由于Cl2刻蚀气体对InP材料系有较高的刻蚀速率,同时刻蚀过程中其化学作用明显,与以物理轰击作用为主的刻蚀气体相比,对材料的损伤较低[6,8]。因此选用Cl2/H2作为ICP刻蚀气体。

　　为了优化Cl2/H2ICP低损伤刻蚀的关键工艺参数,特别设计制备了InGaAsP/InP多量子阱(MQW)结构,采用Oxford公司的Plasma lab ICP100系统进行刻蚀,分别对ICP功率、射频(RF)功率、气体压强以及刻蚀气体组分等参数进行了较为系统全面的研究。图1为该MQW结构截面图:从上至下依次为200 nmInP顶层,10 nmInGaAsP腐蚀停止层,4个不同厚度的量子阱(3、5、7和20 nm)被厚度分别为10、30、30和50 nm的InP垒层隔开.