CN114865451A - 一种掩埋式非氧化孔径vcsel的外延结构及其制备工艺 - Google Patents

一种掩埋式非氧化孔径vcsel的外延结构及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，属于新型半导体激光器技术领域，包括衬底；在衬底上依次设置有MOCVD沉积缓冲层、第一分布式布拉格反射层、谐振腔、第二分布式布拉格反射层和欧姆接触层，谐振腔、所述第二分布式布拉格反射层以及所述欧姆接触层均为Ⅲ‑Ⅴ族化合物材料，谐振腔的顶面形成一个包括量子阱层的台面；外延结构还包括同质半绝缘层，同质半绝缘层包裹于所述台面的外周面，同质半绝缘层为AlxGa1‑xAs层或InP层。本发明用第二次外延再生长的同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周，第二次外延再生长的半绝缘层和与其接触的外延层为同质材料，接触界面间表面缺陷较少且无热膨胀系数差异，可实现较好的外延晶体质量，提高器件可靠性。

Description

一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构及其制备工艺
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，更为具体地说是指一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构及其制备工艺。
背景技术
垂直腔面发射激光器（VCSEL）的热学性质对于实现室温下芯片的连续发射非常重要。
目前，VCSEL芯片大都采用氧化物限制结构，即在量子阱和上层DBR(分布式布拉格反射层)之间分别插入一层一定厚度的AlGaAs或AlAs层。其中高Al含量的AlGaAs层在高温下与H2O反应转化为原生氧化铝，由于氧化铝是绝缘体，可以实现良好的电学限制，与此同时，氧化铝(折射率约为1.7)和半导体(折射率约为3.0)之间的高折射率差异，也提供良好的光学限制，可以使VCSEL实现极低阈值连续发射。然而，氧化铝层的热导率(0.7W/(m•K))比半导体(约20-50W/(m•K))低，降低了芯片内部的热传导，导致热阻增加。因此，氧化孔径VCSEL的最大输出功率以及调制带宽由于早期热滚降而受到根本限制。另外，氧化层与有源区紧密相邻，由于热膨胀系数的差异，芯片工作时形成内部应变，内部温度上升，应变场会推动点缺陷和位错向有源区迁移，最终导致芯片失效，从而使芯片的可靠性降低。
从制造良率上来看，在氧化过程中，氧化层和半导体界面会产生点状缺陷和位错，而且氧化层和半导体的热膨胀系数不同，这导致氧化过程通常非常难以控制，工艺窗口超窄，氧化过程后氧化层-半导体界面容易开裂或剥离。另外，氧化孔径的横向几何形状和尺寸难以控制，并导致片内和片间氧化孔径尺寸的变化。在目前成熟的商业制造工艺中，这种片内和片间的氧化孔径绝对变化至少为1μm，这限制了制造良率，尤其是小孔径芯片的制造良率。因此，传统氧化孔径的VCSEL在实际生产环境中面临着诸多问题：与热传导相关的激光器性能及可靠性问题；与氧化孔可控性相关的可制造性问题。
公开号为TW229338B日本发明专利公开了一种面发光型半导体镭射，其主要是一可将光于垂直方向射向半导体基板至半导体镭射，具备：光共振器，具有反射率不同的一对反射镜与位于其间之多层半导体层，而上述半导体层之中至少接触层及被覆层形成为1条或数条至柱状及；被埋入至柱状之上述半导体层至周围的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体晶膜层及；光射出侧之电极，与上述接触层之一部分接触而形成，而在包含上述接触层至几何中心的范围，在与上述接触层之表面积之10%以上、90%以下至范围成对向的位置设有开口，而在开口内形成上述一对反射镜中之光射出侧反射镜。Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体晶膜层，可使用将Ⅱ族元素之Zn、Cd、Hg与Ⅵ族元素之O、S、Se、Te，以两个元素、三个元素或四个元素加以组合之半导体晶膜层。此外，作为构成共振器之半导体层最好是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体晶膜层，可采用GaAs系、GaAlAs系、GaAsP系、InGaP系、InGaAxP系等。
该专利在柱状Ⅲ-Ⅴ族面发光型半导体周围掩埋Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体实现光学、电学限制。这种在Ⅲ-Ⅴ族半导体上生长Ⅱ-Ⅵ族化合物属于异质外延，难度较大，可产生至少1e5/cm-2的缺陷密度，无法用作通信等高可靠性领域激光芯片的外延片。同时，由于电流需要从顶部接触层到有源区的细长的柱体注入，这种VCSEL会比传统氧化孔径VCSEL的电阻大很多，从而影响VCSEL的性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器外延结构及其制备工艺。
本发明采用如下技术方案：
一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，所述外延结构包括衬底，在所述衬底上依次设置有MOCVD沉积缓冲层、第一分布式布拉格反射层、谐振腔、第二分布式布拉格反射层和欧姆接触层，所述谐振腔的顶面形成一个包括量子阱层的台面，所述谐振腔、所述第二分布式布拉格反射层以及所述欧姆接触层均为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料；该外延结构还包括同质半绝缘层，所述同质半绝缘层包裹于所述台面的外周面，该同质半绝缘层的厚度大于量子阱到第二分布式布拉格反射层的距离；所述同质半绝缘层为AlxGa1-xAs层或InP层；同质半绝缘层的掺杂原子包括Fe、Ti、Ti+Zn、Ti+Cd、Ti+Hg、V、Cr、Mn、Co、Ni、Au、Rh、Hf、Zr、Ru、Cu、Os、O、In、Sb之一或其任意组合。
一较佳实施例中，上述同质半绝缘层通过台面刻蚀工艺进行第二次外延生长得到，台面孔径规格范围为2-100 µm。
一较佳实施例中，上述衬底采用GaAs或InP；所述GaAs或InP为N或P型掺杂且掺杂浓度在1018数量级； N型掺杂的掺杂原子包括Si、Te、S、Se，P型掺杂的掺杂原子包括C、Mg、Zn、Be。
一较佳实施例中，上述谐振腔由限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层、对称限制层构成，其中，第一波导层的中上部、量子阱层、第二波导层、对称限制层形成所述台面。
进一步地，上述限制层掺杂类型与衬底掺杂类型保持一致，而对称限制层掺杂类型与所述衬底的掺杂类型相反。
一较佳实施例中，上述第二波导层材料采用GaAs、AlGaAs、InP，所述量子阱层材料采用GaInAs/GaAs、GaInAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、AlGaInAs/AlGaAs、InGaAsP /AlGaAs、AlGaInP/GaAs、InAsP/InGaAsP、InGaAsP/InGaAsP、InAlGaAs/InAlGaAs、GaAsSb/GaAs、AlGaInAs/InP、InGaAsP/InP，对称限制层材料为GaAs、AlGaAs或InP；第二分布式布拉格反射层采用AlGaAs/GaAs、AlAs/GaAs、InGaAlAs/InP、InGaAsP/InP或AlGaInAs/AlInAs；欧姆接触层材料为GaAs、InGaAs或InP。
一较佳实施例中，上述第一分布式布拉格反射层和第二分布式布拉格反射层均由两种或多种材料周期性叠加形成。
一较佳实施例中，上述第二分布式布拉格反射层由高折射率材料与低折射率材料周期性叠加，其中，高折射率材料为掺Si/C铝组分渐变的AlxGa1-xAs层，Al组分的渐变范围为10%-30%；低折射率材料为掺Si/C铝组分渐变的AlxGa1-xAs层，Al组分的渐变范围为90%-60%。采用铝组分渐变的AlxGa1-xAs材料可以降低异质结界面处的势垒，有助于减小DBR的串联电阻，从而提高芯片的转化效率。
一较佳实施例中，上述欧姆接触层为P掺杂，且掺杂浓度在1019-1020数量级；所述外延结构采用P型衬底并以N型分布式布拉格反射层为出光面或者采用N型衬底并以P型分布式布拉格反射层为出光面。
本发明还提供一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的制备工艺，包括以下步骤：（1）在衬底上采用MOCVD依次沉积缓冲层、第一分布式布拉格反射层、谐振腔；（2）通过增强等离子化学气相沉积方法、光刻与反应离子刻蚀工艺形成谐振腔蚀刻掩膜SiNx或SiO2，随后通过电感耦合等离子体蚀刻与湿法刻蚀谐振腔形成一定孔径与深度的台面；（3）利用SiNx或SiO2掩膜的选择性生长特性，采用MOCVD进行第二次外延生长同质半绝缘层掩埋于台面周边；（4）通过BOE去除谐振腔蚀刻掩膜SiNx或SiO2；（5）采用MOCVD进行第三次外延生长第二分布式布拉格反射层和欧姆接触层。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用第二次外延再生长的同质半绝缘层掩埋于谐振腔顶部台面的外周面上，同质半绝缘层为AlxGa1-xAs层或InP层，谐振腔、第二分布式布拉格反射层以及欧姆接触层均为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，由于第二次外延再生长的同质半绝缘层和与其接触的外延层为同质材料（Ⅲ-Ⅴ族化合物），接触界面间表面缺陷较少且无热膨胀系数差异，可实现较好的外延晶体质量，确保其高可靠性。
2、本发明采用同质半绝缘层掩埋有源区结构可以减小寄生电容，有助于带宽和高速调制。
3、本发明无湿式氧化过程（缺陷和应变的源泉），确保有源区无缺陷和无应变，可靠性更好。
4、本发明用同质半绝缘层代替氧化孔径，与氧化孔径类似，同质半绝缘层具有优异的电学限制作用，采用低折射率的半绝缘材料可以同时实现良好的光学限制，摆脱氧化工艺相当于摆脱了VCSEL生产中最大的良率杀手。
5、本发明VCSEL孔径由光刻机或更精确的方法定义，因此孔径尺寸控制和均匀性可以在+/-0.1微米以内或更好，对更高的良率和未来高速VCSEL应用至关重要。
6、本发明的制备工艺中，采用同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周，再在谐振腔以上生长第二分布式布拉格反射层和欧姆接触层的方式代替氧化孔径，相较于传统氧化孔径VCSEL的氧化层，同质半绝缘层提供更为优异的热导率，可以改善VCSEL的热特性，有利于芯片更好的高温性能和提高可靠性。相较于公开号为TW229338B的对比专利采用异质外延层掩埋于谐振腔、第二DBR层和欧姆接触层四周从而造成比传统氧化孔径VCSEL大很多的串联电阻，本专利的创新设计有助于进一步减小器件电阻，实现和传统氧化孔径VCSEL类似的串联电阻，提高器件的光电转化效率。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
图1是本发明一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的主体结构示意图。
图2是图1一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的层状结构示意图。
图3是图2一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构中谐振腔的层状结构示意图。
图4是一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的具体制备方法示意图。
图5是同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周和同质半绝缘层掩埋于谐振腔、第二DBR层和欧姆接触层四周的电流分布对比示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
需要指出的是，在本发明的各个实施例中给出的说明书附图描述仅仅是示意性的，不代表全部的具体的结构。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能覆盖的范围内。
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
图1首先从整体上介绍本发明一个实施例的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的主体层状结构。
在图1中，示出一种非氧化孔径低热阻垂直腔面发射激光器外延结构。
本发明的外延结构包括衬底1，在衬底1上依次沉积有缓冲层2、第一DBR3、谐振腔4，而后进行台面刻蚀工艺再进行第二次外延生长同质半绝缘层5。台面刻蚀，其深度应大于量子阱到外延片表面的距离。
最后在同质半绝缘层5掩埋的谐振腔以上生长第二DBR层6和欧姆接触层7。
更具体的，对外延片进行台面刻蚀，刻蚀深度至N型限制层处，台面孔径为4 µm，而后进行第二次外延再生长同质半绝缘层，同质半绝缘层为掺Cr 的AlGaAs材料，最后在同质半绝缘层掩埋的谐振腔以上生长第二DBR层6和欧姆接触层7。
在图1中，所述DBR意为distributed Bragg reflector，即分布式布拉格反射层，又译名：分布式布拉格反射器，是在波导中使用的反射器。当光经过不同介质时在界面的地方会反射，反射率的大小会与介质间折射率大小有关，因此如果我们把不同折射率的薄膜交互周期性的堆叠在一起，当光经过这些不同折射率的薄膜的时候，由于各层反射回来的光因相位角的改变而进行建设性干涉，然后互相结合在一起，得到强烈反射光。
如果多膜层数变的非常多，而薄膜折射率 n1、n2、n3…的差变得非常小时，光就如同在同一个介质里前进，反射系数变得非常小。由于光的多重干涉而造成干涉效果十分明显，因此对于波长的选择非常敏锐，在使用类似光栅情形时，这样的周期性结构就被称为分布式布拉格反射器（Distributed Bragg reflectors）。
在图1中，缓冲层2为MOCVD沉积缓冲层。
金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积(CVD)工艺。它是利用金属有机源和参与反应的进程气体在一个低压高温的反应室中进行淀积，以生长出具有复杂掺杂层的芯片。
在图1基础上，参见图2。图2更具体的给出了图1所述高速垂直腔面发射激光器的外延结构的层级架构图。
在图2中，在衬底上依次设置有MOCVD沉积缓冲层2、第一分布式布拉格反射层3、谐振腔4、第二分DBR层6和欧姆接触层7。谐振腔4的顶面形成一个包括量子阱层的台面401。
并且，所述外延结构还包括同质半绝缘层5。同质半绝缘层5通过台面刻蚀工艺进行第二次外延生长，包裹于台面401的外周面，该同质半绝缘层5的厚度大于量子阱到第二分布式布拉格反射层的距离。
作为具体的实现方式，同质半绝缘层5为AlxGa1-xAs或InP，且掺杂原子包括但不限于Fe、Ti、Ti+Zn、Ti+Cd、Ti+Hg、V、Cr、Mn、Co、Ni、Au、Rh、Hf、Zr、Ru、Cu、Os、O、In、Sb或其组合。
上述衬底1可以优选采用GaAs或InP，GaAs或InP为N或P型掺杂且掺杂浓度在1018数量级。
上述缓冲层2可以优选采用GaAs或者InP，与衬底1材料保持一致。
缓冲层2厚度范围为200-300 nm，可以为N型、P型掺杂，掺杂类型与衬底保持一致，且掺杂浓度在1018数量级。N型掺杂掺杂原子包括但不限于Si、Te、S、Se，所述P型掺杂掺杂原子包括但不限于C、Mg、Zn、Be。
上述第一DBR层3优选由一定厚度的两种或多种材料周期性叠加形成。
第一DBR层3的材料可以采用半导体材料AlGaAs/GaAs、AlAs/GaAs、InGaAlAs/InP、InGaAsP/InP、AlGaInAs/AlInAs，材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。
第一DBR层3，其周期对数优选为10-30半整数对。
优选的，第一DBR层3可以为N型、P型掺杂，掺杂类型与衬底1保持一致，且掺杂浓度在1018数量级。
上述欧姆接触层7材料可以为GaAs, InGaAs或InP。优选的，欧姆接触层7为P掺杂，且掺杂浓度在1019-1020数量级。
优选的，上述欧姆接触层7厚度范围为100-300 nm。
在第一实施例中，衬底1为掺Si的GaAs衬底，且掺杂浓度在1018数量级。缓冲层为掺Si的GaAs层，且掺杂浓度在1018数量级。第一DBR为高折射率/低折射率/高折射率/低折射率……/高折射率结构，高折射率材料为掺Si的Al0.1Ga0.9As层，低折射率材料为掺Si的Al0.9Ga0.1As层。掺Si的Al0.1Ga0.9As层厚度为77 nm，且掺杂浓度在1018数量级；掺Si的Al0.9Ga0.1As层厚度为88 nm，且掺杂浓度在1018数量级。
第二DBR层6为高折射率/低折射率/高折射率/低折射率……/高折射率结构，高折射率材料为掺C的Al0.1Ga0.9As层，低折射率材料为掺C的Al0.9Ga0.1As层。掺C的Al0.1Ga0.9As层厚度为77 nm，掺杂浓度在1018数量级；掺C的Al0.9Ga0.1As层厚度为88 nm，掺杂浓度在1018数量级。
在第二实施例中，衬底1为掺Zn的GaAs衬底，且掺杂浓度在1018数量级。缓冲层为掺C的GaAs层，且掺杂浓度在1018数量级。第一DBR层6为高折射率/低折射率/高折射率/低折射率……/高折射率结构，高折射率材料为掺C的 Al0.1Ga0.9As层，低折射率材料为掺C的Al0.9Ga0.1As层。掺C的Al0.1Ga0.9As层厚度为77 nm，且掺杂浓度在1018数量级；掺C的Al0.9Ga0.1As层厚度为88 nm，且掺杂浓度在1018数量级。
第二DBR层6为高折射率/低折射率/高折射率/低折射率……/高折射率结构，高折射率材料为掺Si的Al0.1Ga0.9As层，低折射率材料为掺Si的Al0.9Ga0.1As层。掺Si的Al0.1Ga0.9As层厚度为77 nm，掺杂浓度在1018数量级；掺Si的 Al0.9Ga0.1As层厚度为88 nm，掺杂浓度在1018数量级。
在第三实施例中，第一DBR层3、第二DBR层6均为高折射率/低折射率/高折射率/低折射率……/高折射率结构。高折射率材料为掺Si/C铝组分渐变的AlxGa1-xAs层，Al组分的渐变范围为10%-30%；低折射率材料为掺Si/C铝组分渐变的AlxGa1-xAs层，Al组分的渐变范围为90%-60%。高/低折射率材料掺Si/C掺杂浓度在1018数量级。
在该实施例中，采用铝组分渐变的AlxGa1-xAs材料可以降低异质结界面处的势垒，有助于减小DBR的串联电阻，从而提高芯片的转化效率。
图3给出了图2一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构中谐振腔的层状结构示意图。
在图3中，谐振腔长度为半波长的整数倍。谐振腔4由限制层41、第一波导层42、量子阱层43、第二波导层44、对称限制层45构成。其中，第一波导层42的中上部、量子阱层43、第二波导层44、对称限制层45形成台面401。
上述限制层材料41可以为GaAs、AlGaAs、InP，材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配，掺杂类型与衬底保持一致，且掺杂浓度在1017-1018数量级。
上述第一波导层42、第二波导层44材料可以采用但不限于GaAs、AlGaAs、InP，材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。
上述量子阱层材料43可以采用但不限于GaInAs/GaAs、GaInAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、AlGaInAs/AlGaAs、InGaAsP /AlGaAs、AlGaInP/GaAs、InAsP/InGaAsP、InGaAsP/InGaAsP、InAlGaAs/InAlGaAs、 GaAsSb/GaAs、AlGaInAs/InP、InGaAsP/InP，材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。量子阱层43优选置于谐振腔驻波场波腹位置。
上述对称限制层45材料可以为GaAs、AlGaAs、InP，材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。
上述对称限制层45掺杂类型与衬底材料掺杂类型相反，且掺杂浓度为1017-1018数量级。
上述第二DBR层6由一定厚度的两种或多种材料周期性叠加形成。
第二DBR层6的材料可以采用但不限于AlGaAs/GaAs、AlAs/GaAs、InGaAlAs/InP、InGaAsP/InP、AlGaInAs/AlInAs，材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。
上述第二DBR层6，生长对数为10-30半整数对。
优选的，第二DBR层6掺杂原子掺杂类型与衬底材料掺杂类型相反，且掺杂浓度在1018数量级。
针对图3谐振腔，结合前述第一实施例、第二实施例和第三实施例的介绍，继续给出第一实施例、第二实施例和第三实施例与谐振腔有关的结构实施例介绍。
在第一实施例中，谐振腔4由下至上包括掺Si的Al0.6Ga0.4As限制层41，Al0.3Ga0.7As第一波导层42，GaAs0.8P0.2为垒、In0.28Ga0.72As为阱的垒/阱/垒/阱/垒量子阱层43，Al0.3Ga0.7As第二波导层44，掺C的Al0.6Ga0.4As限制层45。其中掺Si的Al0.6Ga0.4As限制层厚度为70 nm，且掺杂浓度在1017数量级，Al0.3Ga0.7As第一波导层厚度为160 nm，GaAs0.8P0.2垒层厚度为15 nm，In0.28Ga0.72As厚度为9 nm，Al0.3Ga0.7As第二波导层厚度为167 nm，掺C的Al0.6Ga0.4As限制层厚度为70 nm，且掺杂浓度在1017数量级。
在该实施例中，生长完谐振腔4后对外延片进行台面刻蚀，刻蚀深度至N型限制层处，台面孔径为4 µm。而后进行第二次外延再生长同质半绝缘层，同质半绝缘层为掺Cr的AlGaAs材料。最后在同质半绝缘层掩埋的谐振腔4以上生长第二DBR层6和欧姆接触层7。
在第二实施例中，谐振腔4由下至上包括掺C的Al0.6Ga0.4As限制层41，Al0.3Ga0.7As第一波导层42，GaAs0.8P0.2为垒、In0.28Ga0.72As为阱的垒/阱/垒/阱/垒量子阱层43，Al0.3Ga0.7As第二波导层44，掺Si的Al0.6Ga0.4As限制层45。其中掺C的 Al0.6Ga0.4As限制层厚度为70 nm，且掺杂浓度在1017数量级，Al0.3Ga0.7As第一波导层厚度为160 nm，GaAs0.8P0.2垒层厚度为15 nm，In0.28Ga0.72As厚度为9 nm，Al0.3Ga0.7As第二波导层厚度为167 nm，掺Si的Al0.6Ga0.4As限制层厚度为70 nm，且掺杂浓度在1017数量级。
此时，生长完谐振腔4后对外延片进行台面刻蚀，刻蚀深度至P型限制层处，台面孔径为4 µm。而后进行第二次外延再生长同质半绝缘层，同质半绝缘层为掺Cr的AlGaAs材料。最后在同质半绝缘层掩埋的谐振腔以上生长第二DBR层6和欧姆接触层7。
在该实施例中，采用P型衬底并以N型DBR为出光面，有利于减小电流注入时的电阻，从而进一步改善芯片的阈值电流与转化效率。
在第三实施例中，采用铝组分渐变的AlxGa1-xAs材料可以降低异质结界面处的势垒，有助于减小DBR的串联电阻，从而提高芯片的转化效率。
该实施例中，生长完谐振腔4后对外延片进行台面刻蚀，刻蚀深度至N/P型限制层处，台面孔径为4 µm。而后进行第二次外延再生长同质半绝缘层5，同质半绝缘层5为掺CrAlGaAs材料。用第二次外延再生长的同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周，第二次外延再生长的同质半绝缘层和与其接触的外延层为同质材料，接触界面间表面缺陷较少且无热膨胀系数差异，可实现较好的外延晶体质量。与氧化孔径类似，同质半绝缘层掩埋结构具有优异的电学限制作用，而低折射率的半绝缘材料可以同时实现良好的光学限制。
需要注意的是，上个三个实施例虽然分开介绍，但是其对应的部分可以根据需要组合，只需要不违反本发明的基本原理即可。
本发明一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的具体制备工艺，如图4所示，包括以下步骤：
（a）在衬底上采用MOCVD依次沉积缓冲层、第一DBR层、谐振腔。
（b）通过增强等离子化学气相沉积方法、光刻与反应离子刻蚀工艺形成谐振腔蚀刻掩膜SiNx，随后通过电感耦合等离子体蚀刻与湿法刻蚀谐振腔形成一定孔径与深度的台面。
（c）利用SiNx掩膜的选择性生长特性，采用MOCVD进行第二次外延生长同质半绝缘层掩埋于台面周边。
（d）通过BOE去除谐振腔蚀刻掩膜SiNx。
（e）采用MOCVD进行第三次外延生长第二DBR层和欧姆接触层。
综合上述实施例可知，在现有技术中，传统的氧化孔径工艺中氧化铝层的热导率(0.7 W/（m•K）)比半导体(约20-50 W/（m•K）)低，降低了芯片内部的热传导，导致热阻增加。
如图5所示，图5(a)与图5(b)分别为同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周和同质半绝缘层掩埋于谐振腔、第二DBR层和欧姆接触层四周电流分布图示，对于同样台面直径的两种掩埋结构，图5(a) 相较于图5(b)具有较小的电阻。
从本发明的上述实施例可以看出，用第二次外延再生长的同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周，第二次外延再生长的同质半绝缘层和与其接触的外延层为同质材料，接触界面间表面缺陷较少且无热膨胀系数差异，可实现较好的外延晶体质量。同时，同质半绝缘层掩埋有源区结构可以减小寄生电容，有助于带宽和高速调制。另外，台面孔径由光刻机或或更精确的方法定义，因此孔径尺寸控制和均匀性可以在+/-0.1微米以内或更好，这对更高的良率和未来高速VCSEL应用至关重要。采用同质半绝缘层掩埋于谐振腔四周再在谐振腔以上生长第二DBR层6和欧姆接触层7的方式代替氧化孔径，半绝缘层优异的热导率，可以改善VCSEL的热特性，有利于实现室温下芯片的连续发射，而相较于采用同质半绝缘层掩埋于谐振腔、第二DBR层和欧姆接触层四周，有助于进一步减小器件电阻。
因此，通过本发明的上述具备电学限制与光学限制的低热阻高速垂直腔面发射激光器外延结构，用第二次外延再生长的同质半绝缘层代替氧化孔径，同质半绝缘层优异的热导率，可以改善VCSEL的热特性，有利于实现室温下芯片的连续发射，同时，基于同质半绝缘层代替氧化孔径，与氧化孔径类似，同质半绝缘层具有优异的电学限制作用，采用低折射率的半绝缘材料可以同时实现良好的光学限制，摆脱氧化工艺相当于摆脱了VCSEL生产中最大的良率杀手；具体的，采用同质半绝缘层掩埋有源区结构可以减小寄生电容，有助于带宽和高速调制，上述结构的制造过程采用的无湿式氧化过程（缺陷和应变的源泉）确保有源区无缺陷和无应变，可靠性更好。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，所述外延结构包括衬底，其特征在于：
在所述衬底上依次设置有MOCVD沉积缓冲层、第一分布式布拉格反射层、谐振腔、第二分布式布拉格反射层和欧姆接触层，所述谐振腔的顶面形成一个包括量子阱层的台面，所述谐振腔、所述第二分布式布拉格反射层以及所述欧姆接触层均为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料；
所述外延结构还包括同质半绝缘层，所述同质半绝缘层包裹于所述台面的外周面，该同质半绝缘层的厚度大于量子阱到第二分布式布拉格反射层的距离；
所述同质半绝缘层为AlxGa1-xAs层或InP层；
所述同质半绝缘层的掺杂原子包括Fe、Ti、Ti+Zn、Ti+Cd、Ti+Hg、V、Cr、Mn、Co、Ni、Au、Rh、Hf、Zr、Ru、Cu、Os、O、In、Sb之一或其任意组合。
2.如权利要求1所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述同质半绝缘层通过台面刻蚀工艺进行第二次外延生长得到，所述台面孔径规格范围为2-100µm。
3.如权利要求1所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述衬底采用GaAs或InP；所述GaAs或InP为N或P型掺杂且掺杂浓度在1018数量级；所述N型掺杂的掺杂原子包括Si、Te、S、Se，所述P型掺杂的掺杂原子包括C、Mg、Zn、Be。
4.如权利要求1所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述谐振腔由限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层、对称限制层构成，其中，第一波导层的中上部、量子阱层、第二波导层、对称限制层形成所述台面。
5.如权利要求4所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述限制层掺杂类型与所述衬底掺杂类型保持一致，所述对称限制层掺杂类型与所述衬底的掺杂类型相反。
6.如权利要求4所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述第二波导层材料采用GaAs、AlGaAs、InP，所述量子阱层材料采用GaInAs/GaAs、GaInAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、AlGaInAs/AlGaAs、InGaAsP /AlGaAs、AlGaInP/GaAs、InAsP/InGaAsP、InGaAsP/InGaAsP、InAlGaAs/InAlGaAs、GaAsSb/GaAs、AlGaInAs/InP、InGaAsP/InP，所述对称限制层材料为GaAs、AlGaAs或InP；所述第二分布式布拉格反射层采用AlGaAs/GaAs、AlAs/GaAs、InGaAlAs/InP、InGaAsP/InP或AlGaInAs/AlInAs；所述欧姆接触层材料为GaAs、InGaAs或InP。
7.如权利要求1所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述第一分布式布拉格反射层和第二分布式布拉格反射层均由两种或多种材料周期性叠加形成。
8.如权利要求7所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述第二分布式布拉格反射层由高折射率材料与低折射率材料周期性叠加，其中，高折射率材料为掺Si/C铝组分渐变的AlxGa1-xAs层，Al组分的渐变范围为10%-30%；低折射率材料为掺Si/C铝组分渐变的AlxGa1-xAs层，Al组分的渐变范围为90%-60%。
9.如权利要求1所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构，其特征在于：所述欧姆接触层为P掺杂，且掺杂浓度在1019-1020数量级；所述外延结构采用P型衬底并以N型分布式布拉格反射层为出光面或者采用N型衬底并以P型分布式布拉格反射层为出光面。
10.一种如权利要求1-9任一所述的一种掩埋式非氧化孔径VCSEL的外延结构的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在衬底上采用MOCVD依次沉积缓冲层、第一分布式布拉格反射层、谐振腔；
（2）通过增强等离子化学气相沉积方法、光刻与反应离子刻蚀工艺形成谐振腔蚀刻掩膜SiNx或SiO2，随后通过电感耦合等离子体蚀刻与湿法刻蚀谐振腔形成一定孔径与深度的台面；
（3）利用SiNx或SiO2掩膜的选择性生长特性，采用MOCVD进行第二次外延生长同质半绝缘层掩埋于台面周边；
（4）通过BOE去除谐振腔蚀刻掩膜SiNx或SiO2；
（5）采用MOCVD进行第三次外延生长第二分布式布拉格反射层和欧姆接触层。
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