TW201530946A - 分佈回饋型半導體雷射元件及分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法 - Google Patents

分佈回饋型半導體雷射元件及分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明以提供可以縮短電子束描繪需要的時間之分佈回饋型半導體雷射元件及分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法為目的。 其特徵在於包括基板12；活性層16，在上述基板12的上方形成；以及繞射光柵20，具有第1圖案20a、以及比上述第1圖案20a短並與上述第1圖案20a的中央部相對之第2圖案20b，繞射上述活性層16中產生的光。

Description

分佈回饋型半導體雷射元件及分佈回饋型半導體雷射元件的 製造方法
往往以電子束描繪在光阻中描繪繞射光柵圖案，利用此繞射光柵圖案，形成繞射光柵。根據電子束描繪，可以描繪微細的繞射光柵圖案，但與繞射光柵圖案的面積成比例， 有處理時間變長的問題。
本發明係為了解決上述的課題逐至完成，所以以提供可以縮短電子束描繪需要的時間之分佈回饋型半導體雷射元件及分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法為目的。
關於本案發明的分佈回饋型半導體雷射元件包括基板；活性層，在上述基板的上方形成；以及繞射光柵，具有第1圖案、以及比上述第1圖案短並與上述第1圖案的中央部相對之第2圖案，繞射上述活性層中產生的光。
關於本案發明的另一分佈回饋型半導體雷射元件包括基板；活性層，在上述基板的上方形成；以及繞射光柵，具有複數的圖案，繞射上述活性層中產生的光；上述複數的圖案分別以2.5μm(微米)以上的長度的圓點成排形成。
關於本案發明的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，包括形成繞射光柵層步驟，在基板上方形成繞射光柵層；形成導體層步驟，在上述繞射光柵層的上方形成導體層；形成光阻步驟，在上述導電層上形成光阻；電子束描繪步驟，電子束對準上述光阻，電子束描繪繞射光柵圖案；以及形成繞射光柵步驟，為在上述繞射光柵圖案正下方留下上述繞射光柵層，蝕刻上述繞射光柵層，形成繞射光柵。
關於本案發明的另一分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，包括形成繞射光柵層步驟，在基板上方形成繞射光柵層；形成絕緣層步驟，在上述繞射光柵層上形成直線狀圖案化的絕緣層；形成光阻步驟，在上述絕緣層和上述繞射光柵 層上，上述絕緣層上的部分比上述繞射光柵層上的部分薄地形成光阻；電子束描繪步驟，電子束對準上述絕緣層上的上述光阻，電子束描繪繞射光柵圖案；以及形成繞射光柵步驟，為在上述繞射光柵圖案正下方留下上述繞射光柵層，蝕刻上述繞射光柵層，形成繞射光柵。
根據本發明，或縮短構成繞射光柵的圖案長度，或以大圓點形成上述圖案，或光阻下方形成導電層或絕緣層，可以縮短電子束描繪需要的時間。
本發明係關於以電子束描繪形成繞射光柵的分佈回饋型半導體雷射元件及其分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法。
專利文獻1揭示分佈回饋型半導體雷射元件，具有在InGaAsP(銦鎵砷磷)光導層與p型InP(磷化铟)鍍層間的界面具有鋸齒狀凹凸的繞射光柵。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]專利第2005-353761號公開公報
10‧‧‧分佈回饋型半導體雷射元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧p型鍍層
16‧‧‧活性層
18‧‧‧n型間隔層
20‧‧‧繞射光柵
20A‧‧‧繞射光柵層
20a‧‧‧第1圖案
20b、20c‧‧‧第2圖案
22‧‧‧光導層
24‧‧‧n型鍍層
28‧‧‧n側電極
30‧‧‧p側電極
32、34‧‧‧端面
50‧‧‧分佈回饋型半導體雷射元件
100‧‧‧分佈回饋型半導體雷射元件
150‧‧‧分佈回饋型半導體雷射元件
152‧‧‧圖案
152a、152b、152c、152d‧‧‧圓點
154‧‧‧繞射光柵
200‧‧‧絕緣層
202‧‧‧導電層
204‧‧‧光阻
210‧‧‧電子束照射裝置
212‧‧‧電子束
214‧‧‧繞射光柵圖案
250‧‧‧絕緣層
252‧‧‧光阻
252a‧‧‧第1部分
252b‧‧‧第2部分
x1‧‧‧第1圖案20a的長度
x2‧‧‧第2圖案20b的長度
x4‧‧‧絕緣層250的寬度
252a‧‧‧第1部分
252b‧‧‧第2部分
Z1‧‧‧厚度
Z2‧‧‧厚度
[第1圖]係根據本發明的第一實施例的分佈回饋型半導體雷射元件之剖面圖；[第2圖]係第1圖的繞射光柵之平面圖；[第3圖]係根據變形例的繞射光柵之平面圖；[第4圖]係根據另一變形例的繞射光柵之平面圖；[第5圖]係根據本發明的第二實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的繞射光柵之平面圖；[第6圖]係說明根據本發明的第三實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法之晶圓的部分剖面立體圖；[第7圖]係說明根據本發明的第四實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法之晶圓的部分剖面立體圖；[第8圖]係顯示光阻等的晶圓的部分剖面立體圖。
參照圖面說明根據本發明實施例的分佈回饋型半 導體雷射元件以及分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法。相同或重複的構成要素附上相同的符號，有時會省略重複說明。
[第一實施例]
第1圖係根據本發明的第一實施例的分佈回饋型半導體雷射元件10之剖面圖。分佈回饋型半導體雷射元件10，包括例如p型InP形成的基板12。基板12上形成p型鍍層14。p型鍍層14上形成活性層16。活性層16上形成n型間隔層18。
n型間隔層18上，例如以InP形成繞射光柵20。構成繞射光柵20的複數圖案間，例如以InGaAsP形成光導層22。光導層22上例如以InP形成n型鍍層24。因此，繞射光柵20由n型鍍層24和光導層22埋入。
n型鍍層24上，接觸層26介於其間形成n側電極28。又，基板12的背面形成p側電極30。分佈回饋型半導體雷射元件10，構成具有端面32、34的共振器。
第2圖係第1圖的繞射光柵20之平面圖。繞射光柵20成為第1圖案20a以及比上述第1圖案20a短的第2圖案20b交互形成的構成。第1圖案20a的長度(x1)例如10μm。第2圖案20b的長度(x2)例如3μm。第1圖案20a與第2圖案20b的間隔例如約200nm(毫微米)。
第2圖案20b，與第1圖案20a的中央部相對。即，第2圖案20b與第1圖案20a的端部不相對。結果，繞射光柵20從端面32到端面34，以寬度3μm，等間隔設置複數的圖案 之繞射光柵作用。於是，繞射光柵20由於繞射活性層16產生的光，實現發光波長的單一化。
接著，說明關於繞射光柵20的形成方法。首先， 用以形成繞射光柵的繞射光柵層在晶圓全面形成。其次，繞射光柵層上形成光阻。其次，對此光阻施行電子束描繪，藉此一一形成對應繞射光柵的圖案之繞射光柵圖案。其次，上述繞射光柵圖案加以遮光罩，蝕刻繞射光柵層的一部分，形成繞射光柵20。
不過，構成繞射光柵的圖案的寬度即使以10微米 形成，實際使用也只在中央的3微米的部分，其他的7微米的部分係為了對應製程的不穩定而形成。因此，可以抑制某一程度製程不穩的情況下，構成繞射光柵的圖案的寬度縮短小於10微米也可以。
根據本發明第一實施例的繞射光柵20，因為只要 縮短第2圖案20b小於第1圖案20a，就可以縮短電子束描繪需要的時間。而且，根據第1圖案20a與第2圖案20b，從端面32到端面34，因為形成寬度3微米等間隔設置的複數的圖案的繞射光柵，可以提供具有與只以第1圖案構成的繞射光柵同等功能的繞射光柵。
第3圖係根據變形例的繞射光柵之平面圖。此分 佈回饋型半導體雷射元件50的繞射光柵，相較於分佈回饋型半導體雷射元件10，第2圖案20b的密度低。第4圖係根據另一變形例的繞射光柵之平面圖。此分佈回饋型半導體雷射元件100的繞射光柵具有第2圖案20b、20c。第2圖案20b、20c 都比第1圖案20a短，但第2圖案20c比第2圖案20b短，參照第2、3圖說明，或變化第2圖案的密度或設置複數不同長度的第2圖案也可以。
第1圖案20a的長度與第2圖案20b的長度不特 別限定，但為了避免電子束需要的時間變長，最好是3~10微米的任一長度。又，也可以形成刻意錯開繞射光柵的相位之相位位移部。又，這些變形，也可以應用於以下實施例的分佈回饋型半導體雷射元件與分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法。
[第二實施例]
第5圖係根據本發明的第二實施例的分佈回饋型半導體雷射元件150的繞射光柵之平面圖。複數形成的x方向平行的圖案152構成繞射光柵154。複數的圖案152，分別以2.5微米的長度的圓點152a、152b、152c、152d直線成排形成。又圓點的長度只要2.5μm以上，不特別限制。
電子束描繪，對於以脈衝產生電子束的電子束照射裝置，往往藉由掃描晶圓，在光阻中形成繞射光柵圖案。在此情況下，複數的圓點成排形成繞射光柵圖案。例如，此圓點的直徑為數百nm時，為了形成長度10μm的1個圖案，必需很多的圓點，電子束描繪需要長時間。
不過，根據第二實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，因為2.5微米以上的長度的圓點成排形成1個圖案，可以以極少數的圓點形成1個圖案。因此，提高對於電子束照射裝置的晶圓掃描速度，可以縮短電子束描繪需要的 時間。
[第三實施例]
第6圖係用以說明根據本發明的第三實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法之晶圓的部分剖面立體圖。此製造方法，首先，在基板12的上方形成繞射光柵層20A。其次，繞射光柵層20A上，例如以SiO2(二氧化矽)形成絕緣層200。其次，絕緣層200上，例如以W(鎢)形成導電層202。導電層202在繞射光柵層20A的上方形成。
其次，導電層202上形成光阻204。其次，電子束對準光阻204，電子束描繪繞射光柵圖案。具體而言，電子束照射裝置210發出的電子束212對準光阻204，形成用以形成繞射光柵的繞射光柵圖案214。第6圖中，顯示繞射光柵圖案形成中途的狀態。
其次，例如以乾蝕刻，留下繞射光柵圖案214正下方的繞射光柵層20A，蝕刻導電層202、絕緣層200及繞射光柵層20A，形成繞射光柵。繞射光柵形成後，除去絕緣層200與導電層202。或是，對應繞射光柵圖案214的圖案在絕緣層200中形成後，絕緣層200加以遮光罩，蝕刻繞射光柵層20A也可以。
根據本發明第三實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，因為形成導電層202，可以防止電子束照射光阻204產生的分佈回饋型半導體雷射元件的帶電(charge up)。因此，增加電子束照射裝置210的加速電壓與電子束電流使解析度提高，可以縮短電子束描繪需要的時間。
又，因為導電層202作用為電子束反射膜，相較 於不形成導電層202的情況，可以提高光阻感度。因此，增加電子束描繪的速度，而可以縮短電子束描繪需要的時間。
絕緣層200係為了針對導電層202保護繞射光柵 層20A而設置。因此，繞射光柵層20A中沒有損傷的話，省略絕緣層200也可以。又，導電層202的材料只要是可以防止帶電和光阻感上升的材料即可，不限定為W。
[第四實施例]
第7圖係用以說明根據本發明的第四實施例的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法之晶圓的部分剖面立體圖。首先，基板12的上方形成繞射光柵層20A。其次，繞射光柵層20A上形成直線狀圖案化的絕緣層250。絕緣層250例如以SiO2(二氧化矽)形成。絕緣層250的寬度(x4)例如是10μm。
其次，絕緣層250和繞射光柵層20A上，形成光阻。第8圖中，顯示光阻252。光阻252具有繞射光柵層20A上的部分(第1部分252a)與絕緣層250上的部分(第2部分252b)。於是，利用絕緣層250表面比繞射光柵層20A的100表面難以附著光阻的性質，減薄第2部分252b的厚度(Z2)至比第1部分252a的厚度(Z1)薄。又，以其他的方法，減薄第2部分252b至比第1部分252a薄也可以。
其次，電子束對準絕緣層250上的光阻(第2部分252b)電子束描繪繞射光柵圖案。具體而言，以電子束照射裝置210發出的電子束212形成繞射光柵圖案214。第8圖中，顯示繞射光柵圖案形成中途的狀態。其次，例如以乾蝕刻，留 下繞射光柵圖案214正下方的繞射光柵層20A，蝕刻絕緣層250與繞射光柵層20A，形成繞射光柵。繞射光柵形成後，除去殘餘的絕緣層250。
為了加速電子束描繪的速度，最好減薄光阻。本發明的第四實施例中，因為對光阻252(第2部分252b)薄的部分電子束描繪，加速電子束描繪的速度，可以縮短電子束描繪需要的時間。又，目前為此說明的各實施例特徵，可以適當地組合。
10‧‧‧分佈回饋型半導體雷射元件
20‧‧‧繞射光柵
20a‧‧‧第1圖案
20b‧‧‧第2圖案
32、34‧‧‧端面
x1‧‧‧第1圖案20a的長度
x2‧‧‧第2圖案20b的長度

Claims (7)

  1. 一種分佈回饋型半導體雷射元件，其特徵在於包括：基板；活性層，在上述基板的上方形成；以及繞射光柵，具有第1圖案、以及比上述第1圖案短並與上述第1圖案的中央部相對之第2圖案，繞射上述活性層中產生的光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的分佈回饋型半導體雷射元件，其中，上述第1圖案的長度與上述第2圖案的長度係3~10微米的任一長度。
  3. 一種分佈回饋型半導體雷射元件，包括：基板；活性層，在上述基板的上方形成；以及繞射光柵，具有複數的圖案，繞射上述活性層中產生的光；其特徵在於：上述複數的圖案分別以2.5μm以上的長度的圓點成排形成。
  4. 一種回饋型半導體雷射元件的製造方法，其特徵在於包括下列步驟：形成繞射光柵層步驟，在基板的上方形成繞射光柵層；形成導體層步驟，在上述繞射光柵層的上方形成導體層；形成光阻步驟，在上述導電層上形成光阻；電子束描繪步驟，電子束對準上述光阻，電子束描繪繞射光柵圖案；以及形成繞射光柵步驟，為在上述繞射光柵圖案正下方留下上 述繞射光柵層，蝕刻上述繞射光柵層，形成繞射光柵。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，包括以下步驟：形成絕緣層步驟，在形成上述繞射光柵層後，形成上述導電層前，在上述繞射光柵層上形成絕緣層。
  6. 如申請專利範圍第4或5項所述的分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，其中，上述導電層以鎢為材料。
  7. 一種分佈回饋型半導體雷射元件的製造方法，其特徵在於包括下列步驟：形成繞射光柵層步驟，在基板上方形成繞射光柵層；形成絕緣層步驟，在上述繞射光柵層上形成直線狀圖案化的絕緣層；形成光阻步驟，在上述絕緣層和上述繞射光柵層上，上述絕緣層上的部分比上述繞射光柵層上的部分薄地形成光阻；電子束描繪步驟，電子束對準上述絕緣層上的上述光阻，電子束描繪繞射光柵圖案；以及形成繞射光柵步驟，為在上述繞射光柵圖案正下方留下上述繞射光柵層，蝕刻上述繞射光柵層，形成繞射光柵。
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