Elektronenstrahl-Strukturierung von Oberflächen Gittern zur Wellenlängenstabilisierung von Halbleiterlasern
Abb. 1: REM-Aufnahme eines mit Elektronenstrahl-Lithografie definierten Oberflächengitters
Abb. 2: Gemessene Reflektivitäten von DBR-Gittern 3. und 8. Ordnung
Mithilfe von Resonatorgittern gelingt es, die Emissionsbreiten von Halbeiterlasern - diese liegen typischerweise im Nanometerbereich - bis in den Femtometerbereich zu reduzieren. Damit werden die effizienten Halbleiterlaser-Lichtquellen auch für Anwendungen wie etwa die Spektroskopie, die eine schmalbandige Emission erfordern, attraktiv.
Eine etablierte Methode der Gitterintegration am FBH ist das Einbringen von Furchen mit definierter Tiefe, Form und Periode in die Laseroberfläche. Bisher wurden diese Gitter mithilfe von i-line-Stepperlithografie definiert und trockenchemisch in die Halbleiteroberfläche geätzt [1]. Aufgrund der Auflösungsgrenzen der i-line-Lithografie konnten Lackgitter mit einer minimalen Periode von 720 nm und Öffnung von 460 nm erzeugt werden. Um das für hohe Gitterreflektivitäten erforderliche hohe Tastverhältnis der Brechungsindexvariation einzustellen, wurden die Gitterfurchen V-förmig, zur aktiven Zone hin spitz zulaufend geätzt.
Die direkte Verwendung der Elektronenstrahl-Lithografie (VISTEC SB251) erlaubt jetzt die Prozessierung kleinerer Strukturgrößen. Um die höhere Auflösung des Lithografieverfahrens nutzen zu können, wird eine spezielle Lacktechnologie verwendet. Diese erlaubt es, Gitterperioden ≥ 240 nm zu erzeugen und diese Strukturen mittels reaktivem Ionenätzen bis zu 1,5 µm tief in den Halbleiter zu übertragen, siehe Abb. 1. Die so prozessierten Oberflächengitter weisen wegen der kleineren Gitterordnung höhere Reflektivitäten auf als bei Anwendung der i-line-Lithografie. Abb. 2 zeigt einen Vergleich der experimentell bestimmten Reflektivitäten von Oberflächengittern unterschiedlicher Ordnung. Neben den verbesserten Reflexionseigenschaften der mit Elektronenstrahl-Lithografie definierten Gitter zeigt sich auch, dass mit den reduzierten Strukturgrößen die Prozesstoleranz bezüglich der Ätztiefenabweichungen verbessert wird. Da keine Masken mehr benötigt werden, ist die Gestaltung der Gitterparameter flexibler.
Die Elektronenstrahl-Strukturierung von Oberflächen-Gittern wird am FBH bereits standardmäßig zur Prozessierung von DBR-Lasern angewendet.
Publikation
[1] J. Fricke, W. John, A. Klehr, P. Ressel, L. Weixelbaum, H. Wenzel and G. Erbert "Properties and fabrication of high-order Bragg gratings for wavelength stabilization of diode lasers" Semicond. Sci. Technol., vol. 27, no. 055009 (2012).
FBH-Forschung: 11.10.2013