DE3704622A1

DE3704622A1 - Method of producing diffraction gratings in double-heterolayer structures for DFB lasers

Info

Publication number: DE3704622A1
Application number: DE19873704622
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Thulke; Anton Dipl Ing Zach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-02-13
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1988-08-25

Abstract

A thin mask layer (5) and a photoresist layer (6) are applied to a base structure comprising at least one active laser layer (3) and a waveguide layer (4). A grating structure (7) which is transmitted by etching at least down to the waveguide layer (4) is produced in the photoresist layer (6), for example holographically. The grating structure (7) is then transmitted by liquid-phase epitaxy to the waveguide layer (4), filled up and coated. The mask layer (5) protects the concave surfaces of the grating structure (7) against destruction by re-dissolution during the liquid-phase epitaxy. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Beugungsgittern in Doppelheteroschichtstrukturen für DFB-Laser.The invention relates to a method for producing Diffraction gratings in double heterolayer structures for DFB lasers.

Es ist bekannt, daß Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung ("distributed feedback"-Laser, DFB-Laser) aus Doppelhetero schichtstrukturen (z. B. aus InGaAsP) bestehen, die mit einem Beugungsgitter versehen sind. (Siehe z. B. G. Winstel, C. Weyrich, Optoelektronik 1, Springer Verlag, Berlin, Heidel berg, New York 1980, Seite 241 ff.) Doppelheteroschichtstruk turen (siehe z. B. 0. Neufang, Grundlagen der Optoelektronik, AT-Verlag, Aarau/Schweiz, Seite 75 ff.) sind in folgender Weise aufgebaut: Auf einem Substrat sind eine buffer layer und eine aktive Laserschicht, eine Wellenleiterschicht und eine Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht. Die Wellenleiterschicht ist beim DFB-Laser auf der Grenzfläche zur Halbleiterschicht mit einem Beugungsgitter versehen. Bei der Herstellung wird auf einer Grundstruktur, die aus Substrat, buffer layer, aktiver Laserschicht und Wellenleiterschicht besteht, eine Photolack schicht aufgebracht, in der das Beugungsgitter üblicherweise durch holographische Belichtung erzeugt wird. In einem weiteren Herstellungsschritt wird das Gitter durch Ätzen in die Wellen leiterschicht übertragen und schließlich mit dem Halbleiter material der obersten Schicht epitaktisch aufgefüllt und über schichtet. Erfolgt dieses Überwachsen mittels Flüssigphasen epitaxie, so entsteht häufig das Problem, daß die Lösungs schmelze auch bei starker Unterkühlung das aus einem anderen Material bestehende Gitter in der Wellenleiterschicht durch vollständiges oder partielles Rücklösen zerstört.It is known that semiconductor lasers with distributed feedback ("distributed feedback" laser, DFB laser) made of double hetero layer structures (e.g. from InGaAsP) consist of a Diffraction gratings are provided. (See e.g. G. Winstel, C. Weyrich, Optoelectronics 1, Springer Verlag, Berlin, Heidel berg, New York 1980, page 241 ff.) Double heterolayer structure turen (see e.g. 0. Neufang, basics of optoelectronics, AT-Verlag, Aarau / Switzerland, page 75 ff.) Are in the following way built up: A buffer layer and a are on a substrate active laser layer, a waveguide layer and a layer applied from semiconductor material. The waveguide layer is with the DFB laser on the interface with the semiconductor layer provided with a diffraction grating. When manufacturing is on a basic structure consisting of substrate, buffer layer, more active Laser layer and waveguide layer, a photoresist layer applied in which the diffraction grating usually is generated by holographic exposure. In another Manufacturing step is the grid by etching in the waves transferred conductor layer and finally with the semiconductor material of the top layer is filled epitaxially and over layers. This overgrowth takes place using liquid phases epitaxy, so often the problem arises that the solution melt it from another even with severe hypothermia Material existing grating through in the waveguide layer complete or partial redissolving destroyed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellverfahren für Beugungsgitter anzugeben, das die Gitterstruktur in der Wellenleiterschicht nach dem Überwachsen durch Flüssigphasen epitaxie erhält.The invention has for its object a manufacturing process for diffraction gratings that indicate the grating structure in the Waveguide layer after overgrowth by liquid phases receives epitaxy.

Diese Aufgabe wird in einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist.This task is carried out in a process according to the preamble of Claim 1 solved according to the invention, as in the characterizing Part of claim 1 is specified.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Eigenschaft der Flüssigphasenepitaxie ausgenutzt, daß gesättigte Lösungs schmelzen bestimmter Zusammensetzung (z. B. InP in In) feste Oberflächen anderer Zusammensetzung (z. B. InGaAsP) anlösen, während sie feste Oberflächen gleicher Zusammensetzung (z. B. InP) nicht angreifen, um die Struktur von einer Maskenschicht in die Wellenleiterschicht zu übertragen bzw. um eine durch Ätzen erzeugte Gitterstruktur in der Wellenleiterschicht durch eine Maskenschicht zu schützen. Die Gitterstruktur wird so in die Wellenleiterschicht bildgenau übertragen.In the method according to the invention, the property of Liquid phase epitaxy exploits that saturated solution melt certain composition (e.g. InP in In) solid Dissolve surfaces of different composition (e.g. InGaAsP), while they have solid surfaces of the same composition (e.g. InP) do not attack the structure of a mask layer to transfer into the waveguide layer or by one Etching generated grating structure in the waveguide layer to protect with a layer of mask. The lattice structure is thus transferred to the waveguide layer with image accuracy.

Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 bietet den Vorteil, daß die Gitterstruktur in der Wellenleiterschicht nach dem Epitaxievorgang stärker ausgeprägt ist als davor.Application of the method according to claim 2 offers the advantage that the grating structure in the waveguide layer after the Epitaxial process is more pronounced than before.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran sprüchen hervor.Further embodiments of the invention can be found in the subordinate sayings.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt.Embodiments of the invention are shown in FIGS. 1 to 5.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Grundstruktur des DFB-Lasers mit Maskenschicht und strukturierter Photolackschicht. Fig. 1 schematically shows a basic structure of the DFB laser with a mask layer and patterned photoresist layer.

Fig. 2 zeigt eine Grundstruktur des DFB-Lasers nach Übertragung der Gitterstruktur durch naßchemisches Atzen in die Masken schicht. Fig. 2 shows a basic structure of the DFB laser after transfer of the lattice structure by wet chemical etching in the mask layer.

Fig. 3 zeigt eine Grundstruktur des DFB-Lasers nach Übertragung der Gitterstruktur durch Flüssigphasenepitaxie in die Wellen leiterschicht und nach Auffüllen und Überwachsen des Gitters. Fig. 3 shows a basic structure of the DFB laser after transfer of the grating structure by liquid phase epitaxy into the waveguide layer and after filling and overgrowing the grating.

Fig. 4 zeigt eine Grundstruktur eines DFB-Lasers nach Über tragung der Gitterstruktur durch naßchemisches Ätzen in die Maskenschicht und in die Wellenleiterschicht. Fig. 4 shows a basic structure of a DFB laser after transfer of the grating structure by wet chemical etching in the mask layer and in the waveguide layer.

Fig. 5 zeigt eine Grundstruktur eines DFB-Lasers nach Vertie fung der Gitterstruktur in die Wellenleiterschicht durch Flüssigphasenepitaxie und nach Auffüllen und Überwachsen der Gitterstruktur. Fig. 5 shows a basic structure of a DFB laser after deepening the grating structure in the waveguide layer by liquid phase epitaxy and after filling and overgrowing the grating structure.

Fig. 1 zeigt die Grundstruktur des DFB-Lasers. Auf ein Substrat 1 sind nacheinander eine buffer layer 2, eine aktive Laser schicht 3 aus z. B. InGaAsP (Zusammensetzung entsprechend einer Lichtwellenlänge λ=1,55 µm) und eine Wellenleiterschicht 4 aus z. B. InGaAsP (Zusammensetzung entsprechend einer Licht wellenlänge λ=1,30 µm) aufgebracht. Auf die Wellenleiterschicht wird eine dünne Maskenschicht 5 aus z. B. InP in einer Dicke von z. B. ca. 0,1 µm aufgewachsen. Über der Maskenschicht 5 zeigt Fig. 1 eine Photolackschicht 6. In dieser Photolackschicht 6 wird durch holographische Belichtung eine Gitterstruktur 7 erzeugt. Durch naßchemisches Ätzen wird die Gitterstruktur 7 in die Maskenschicht 5 übertragen (Fig. 2). Die Gitterstruktur 7 muß so tief in die Maskenschicht 5 eingeätzt werden, daß zwi schen den Stegen aus Photolack 6 die Wellenleiterschicht 4 frei gelegt wird. Die Photolackreste 6 werden mit einem Lösungs mittel entfernt. Im nächsten Verfahrensschritt (siehe Fig. 3) wird die Gitterstruktur 7 durch Flüssigphasenepitaxie in die Wellenleiterschicht 4 übertragen. Dabei wird mit einer gesättig ten Lösungsschmelze (z. B. InP in In) gearbeitet. Da die Mas kenschicht 5 aus dem Material besteht, das in der Lösungs schmelze in Sättigung ist (InP), wird sie von der Lösung nicht angegriffen. Die Wellenleiterschicht 4 jedoch besteht aus einem anderen Material (InGaAsP) und löst sich deshalb in der Schmel ze. An den Stellen der Laserstruktur, an denen die Wellenleiter schicht 4 freigelegt ist, erfolgt daher ein Rücklösen von Material, während die durch die Maskenschicht 5 bedeckten Be reiche der Wellenleiterschicht 4 dagegen geschützt sind. Schließlich wird die Gitterstruktur 7 in diesem Epitaxieschritt mit einer Schicht 8 aus dem Halbleitermaterial der Masken schicht 5 (z. B. InP) aufgefüllt und überschichtet. Fig. 1 shows the basic structure of the DFB laser. On a substrate 1 are a buffer layer 2, an active laser layer 3 of z. B. InGaAsP (composition corresponding to a light wavelength λ = 1.55 microns) and a waveguide layer 4 made of z. B. InGaAsP (composition corresponding to a light wavelength λ = 1.30 microns) applied. A thin mask layer 5 made of e.g. B. InP in a thickness of z. B. grown about 0.1 microns. Over the mask layer 5 Fig. 1 illustrates a photoresist layer 6. A lattice structure 7 is produced in this photoresist layer 6 by holographic exposure. The lattice structure 7 is transferred into the mask layer 5 by wet chemical etching ( FIG. 2). The grating structure 7 has to be etched so deeply in the mask layer 5 that Zvi rule the ridges of photoresist 6, the waveguide layer 4 is exposed. The photoresist residues 6 are removed with a solvent. In the next process step (see FIG. 3), the grating structure 7 is transferred into the waveguide layer 4 by liquid phase epitaxy. This works with a saturated solution melt (e.g. InP in In). Since the mask layer 5 consists of the material which is saturated in the solution melt (InP), it is not attacked by the solution. However, the waveguide layer 4 consists of a different material (InGaAsP) and therefore dissolves in the melt. Is exposed at the positions of the laser structure in which the waveguide layer 4, therefore, a redissolving is carried out of material, while that covered by the mask layer 5 Be rich of the waveguide layer 4 are protected against. Finally, the lattice structure 7 in this epitaxial step is filled with a layer 8 of the semiconductor material of the mask layer 5 (eg InP) and overlaid.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist in Fig. 4 und in Fig. 5 dargestellt. Ausgangspunkt ist wieder die in Fig. 1 gezeigte Grundstruktur, die aus dem Substrat 1, der buffer layer 2, der aktiven Laserschicht 3, der Wellenleiterschicht 4 und der Maskenschicht 5 besteht. Auf die Maskenschicht 5 ist die Photolackschicht 6 aufgebracht, in der die Gitterstruktur 7 erzeugt wird. Die in der Photolackschicht 6 erzeugte Gitterstruktur 7 wird durch naßchemisches Ätzen in die Maskenschicht 5 und in die Wellenleiterschicht 4 übertragen (Fig. 4). Anschließend werden die Photolackreste 6 mit einem Lösungsmittel entfernt. Dabei bleiben die im Wellenleiterma terial erzeugten Gitterstege 7 mit Maskenmaterial 5 bedeckt. Im nächsten Verfahrensschritt wird die Struktur durch Flüssig phasenepitaxie mit dem Material, aus dem auch die Maskenschicht 5 besteht, überwachsen. Die dabei verwendete Lösungsschmelze ist wiederum mit dem Material der Maskenschicht 5 (z. B. InP) gesättigt. Da die Wellenleiterschicht 4 aus einem anderen Material (z. B. InGaAsP) besteht, erfolgt in den freiliegenden Bereichen der Wellenleiterschicht 4 Rücklösung des Materials. In den Bereichen, die durch die Maskenschicht 5 geschützt sind, erfolgt dagegen keine Rücklösung des Materials, da dieses Material in der Schmelze schon gesättigt gelöst ist. Nach dem Auffüllen und Überschichten der Gitterstruktur 7 mit der Schicht 8 aus dem Halbleitermaterial der Maskenschicht 5 ist die Gitterstruktur 7 daher stärker ausgeprägt und tiefer in die Wellenleiterschicht 4 eingegraben als nach dem naßchemischen Ätzen.Another embodiment of the method according to the invention is shown in FIG. 4 and in FIG. 5. The starting point is again the basic structure shown in FIG. 1, which consists of the substrate 1 , the buffer layer 2 , the active laser layer 3 , the waveguide layer 4 and the mask layer 5 . The photoresist layer 6 , in which the lattice structure 7 is produced, is applied to the mask layer 5 . The grating structure 7 produced in the photoresist layer 6 is transferred into the mask layer 5 and into the waveguide layer 4 by wet chemical etching ( FIG. 4). The photoresist residues 6 are then removed with a solvent. The material generated in the waveguide material grid webs 7 remain covered with mask material 5 . In the next process step, the structure is overgrown by liquid phase epitaxy with the material from which the mask layer 5 is also made. The solution melt used is in turn saturated with the material of the mask layer 5 (e.g. InP). Since the waveguide layer 4 consists of a different material (e.g. InGaAsP), the material is redissolved in the exposed areas of the waveguide layer 4 . In contrast, in the areas which are protected by the mask layer 5 , there is no redissolving of the material, since this material is already saturated in the melt. After filling and overlaying the grating structure 7 with the layer 8 made of the semiconductor material of the mask layer 5 , the grating structure 7 is therefore more pronounced and buried deeper into the waveguide layer 4 than after wet-chemical etching.

Claims

1. A process for the production of diffraction gratings in a double hetero-layer structure of DFB laser, characterized in that a least one active laser layer (3) and a waveguide layer (4) Basic-containing pattern layer, a thin masks on the waveguide layer (4) ( 5 ) is applied that a photoresist layer ( 6 ) is applied to the mask layer ( 5 ), that a lattice structure ( 7 ) is produced in the photoresist layer ( 6 ), that the lattice structure ( 7 ) is etched into the mask layer ( 5 ) min at least to the waveguide layer ( 4 ) is transferred, that the photoresist ( 6 ) is lifted off, that the grid ( 7 ) transferred into the mask layer ( 5 ) by liquid phase epitaxy with a solution melt in which the material of the mask layer ( 5 ) in the Saturation is, in which the waveguide layer ( 4 ) is transferred and the waveguide layer ( 4 ) with the material of the mask layer ( 5 ) is overlaid by liquid phase epitaxy d.

2. The method according to claim 1, characterized in that the grating structure ( 7 ) is already transferred by etching into the waveguide layer ( 4 ) and that the grating ( 7 ) by liquid phase epitaxy with the solution melt in the waveguide layer ( 4 ) is more pronounced .

3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the lattice structure ( 7 ) in the photoresist layer ( 6 ) is generated by holographic exposure.

4. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the lattice structure ( 7 ) in the photoresist layer ( 6 ) is generated by electron beams.

5. The method according to claim 1, claim 2, claim 3 or claim 4, characterized in that the photoresist ( 6 ) is lifted off by undercutting.

6. The method according to claim 1, claim 2, claim 3 or claim 4, characterized in that the photoresist ( 6 ) is removed with a solvent.

7. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the grating structure ( 7 ) by wet chemical etching in the mask layer ( 5 ) is transferred at least to the waveguide layer ( 4 ).

8. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that the grating structure ( 7 ) is transferred by dry etching into the mask layer ( 5 ) at least up to the waveguide layer ( 4 ).