Wellenlängenstabilisierte Laser mit Oberflächengitter

Im FBH werden Diodenlaser mit Wellenlängen im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich entwickelt. Über ein frequenzselektives Bragg-Gitter (Distributed Bragg Reflector) kann eine geringe spektrale Temperaturabhängigkeit und eine sehr schmale Linienbreite des emittierten Laserlichtes erreicht werden. Ein solches Bragg-Gitter wird als eine in die Halbleiteroberfläche geätzte Gitterstruktur erzeugt und stellt besonders hohe Anforderungen an den technologischen Prozess. Neben einer geeigneten Lithografie, mit der sehr kleine Gitterstrukturen in einer Polymermaske (Fotolack oder Elektronenstrahllack) erzeugt werden, ist es insbesondere die trockenchemische Strukturübertragung in das darunter liegende Halbleitermaterial, die den technologischen Prozess der Gittererzeugung anspruchsvoll macht. Die Strukturierung kann, je nach gewünschter Gitterordnung, mittels optischer Projektionslithographie (Waferstepper, geeignet für hohe Gitterordnungen, Gitterperiode ca. 800 bis 1200 nm), optischer Interferenzlithographie (Holographie) oder Elektronenstrahllithographie (geeignet für niedrigere Gitterordnungen, Gitterperiode ca. 200 bis 500 nm) erfolgen. Für Gitterstrukturen niedriger Ordnung ist ein hohes Aspektverhältnis (Verhältnis zwischen horizontalen und vertikalen Strukturabmessungen) erforderlich, während für Gitterstrukturen hoher Ordnung eher ein V-förmiges Gitterprofil wünschenswert ist.

Wissenschaftler des FBH haben ein trockenchemisches Ätzverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe der Flankenwinkel der Gitterstruktur und über diesen das Profil des Gitters in der Nähe der aktiven Schicht definiert eingestellt werden kann. Das Verfahren nutzt das Prinzip der Seitenwandpassivierung während der trockenchemischen Ätzung, um durch ein gezieltes  "Zuwachsen" des Grabens zwischen den Gitterstegen den Flankenwinkel der zu ätzenden Strukturen zu ändern. Zum Einsatz kommt ein RIE-Plasmaätzer (RIE = reactive ion etching) des Typs "SI 500 RIE" der Firma Sentech Instruments GmbH, der speziell für die genannten Anforderungen konzipiert wurde. Die  Ätztiefenkontrolle erfolgt in-situ und in Echtzeit mit Hilfe eines Michelson-Interferometers. Neben der verwendeten Gasmischung spielen Ätzparameter wie Plasmaleistung, Prozessdruck und Wafertemperatur eine entscheidende Rolle für die Ausbildung des gewünschten Ätzprofils. Über deren Variation ist es möglich, die Geometrie des Bragg-Gitters und damit dessen Reflektivität anzupassen. Abbildung 1 und 2 zeigen im FBH erzeugte Bragg-Gitter verschiedener Gitterordnungen, die in wellenlängenstabilisierten Diodenlasern geringer Linienbreite zum Einsatz kommen.

Publikation:

J. Fricke, F. Bugge, A. Ginolas, W. John, A. Klehr, M. Matalla, P. Ressel, H. Wenzel, and G. Erbert, "High-Power 980-nm Broad-Area Lasers Spectrally Stabilized by Surface Bragg Gratings", IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 22, no. 5, pp. 284-286 (2010).

FBH-Forschung: 28.03.2011