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VCSEL几个关键工艺 [复制链接]

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离线Admin_MEMS
 

VCSEL有几个关键工艺,这几个关键工艺决定了器件的特性与可靠性。关键技术一:VCSEL外延图5是VCSEL的结构示意图,以銦镓砷InGaAs井(well)铝镓砷AlGaAs垒(barrier)的多量子阱(MQW)发光层是最合适的,跟LED用In来调变波长一样,3D传感技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%,当銦In组分是零的时候,外延工艺比较简单,所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长,普遍使用于光通信的末端主动元件。

图5 VCSEL的外延与芯片结构示意图发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR,一般要形成高反射率有两个条件,第一是高低折射率材料对数够多,第二是高低折射率材料的折射率差别越大,出射光方向可以是顶部或衬底,这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明,例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光,所以设计成衬底面发光,850纳米设计成正面发光,一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上,发射光一面的反射率为99%,目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝(90%)的Al0.9GaAs层与低铝(10%)Al0.1GaAs层交替的DBR,反射面需要30对以上的DBR(一般是30~35对才能到达99.9%反射率),出光面至少要24~25对DBR(99%反射率),由于后续需要氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积,所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料,这样后面的氧化工艺可以比较快完成。

图6 外延与氧化工艺是VCSEL良率与光电特性好坏的关键关键技术二:氧化工艺这个技术是LED完全没有的工艺,也是LED红光发明人奥隆尼亚克(Nick Holonyak Jr.)发明的技术,如图6所示,主要利用氧化工艺缩小谐振腔体积与发光面积,但是过去在做氧化工艺的时候,很难控制氧化的面积,只能先用样品做氧化工艺,算出氧化速率,利用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工艺时间,这样的生产非常不稳定,良率与一致性都很难控制!精确控制氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积可以有良好的一致性,没有过氧化或少氧化的问题,这样在做阵列VCSEL模组的时候才会有精确的光电特性。即时监控氧化面积是最好的方法,如图7所示,法国的AET Technology公司设计了一台可以利用砷化铝(AlAs)氧化成氧化铝(AlOx)之后材料折射率改变的反射光谱变化精确监控氧化面积,这种精密控制氧化速率的设备,可以省去过去工程师用试错修正来调试参数,对大量稳定生产VCSEL芯片提供了最好的工具。

图7 法国AET科技公司推出的VCSEL即时监控的氧化制程设备,让VCSEL量产更稳定关键技术三:保护绝缘工艺跟LED一样,最后只能保留焊线电极上没有绝缘保护层在上面,由于激光二极管的功率密度更大,所以VCSEL更需要这样的保护层,更重要的是为了不让氧化工艺的AlAs层继续向内氧化影响谐振腔体积,造成激光特性突变,保护层的膜层质量非常重要,尤其是侧面覆盖的致密性更为重要,过去都是用等离子加强气相化学沉积机PECVD来镀这层膜,但是为了要保持致密性需要较厚的膜层,但是膜层太厚会造成应力过大影响器件可靠度!于是原子层沉积ALD技术开始取代PECVD成为最好的镀膜工艺,如图8所示,ALD可以沉积跟VCSEL氧化层特性接近的氧化铝(Al2O3)薄膜,而且侧面镀膜均匀,致密性高,最重要的是厚度很薄就可以完全绝缘保护芯片,除了VCSEL工艺以外,LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET工艺都需要这样的膜层,跟氧化技术一样,国内还无法提供这样的设备,目前芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国应用材料公司提供这样的设备与工艺。

图8 芬兰Picosun派克森公司推出的ALD原子层沉积技术的设备,可以让VCSEL的器件更稳定从光通信到消费电子,VCSEL激光器迎来爆发VCSEL曾在光通信应用市场里“发光发热”,被广泛关注,现在又增加了3D传感的应用,以市场来说,如果以华为、OPPO、VIVO、三星等为首的高端机型第二梯队快速响应与普及,每年全世界消费10多亿部智能手机,如果每部手机嵌入2-3颗VCSEL激光器件,就是二三十亿颗的市场规模。如今,全球VCSEL的总收入已接近8亿美元,预计到2020年该值会增长到21亿美元。未来,除了光通信与3D传感,当VCSEL激光器量产供应链形成之后将带动产品价格的全面平民化,包含AR智能眼镜、智能驾驶的激光雷达等一系列颠覆式应用将彻底从概念化小众市场得到快速普及,如图9所示,VCSEL市场将会进一步爆发。

图9 VCSEL的应用与未来市场趋势台湾与大陆VCSEL的发展现状如图10所示,大陆与台湾VCSEL的产业链现状很像十年前的LED,目前内地跟VCSEL有相关的公司可谓凤毛麟角,除了国内光通讯器件厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出,在消费电子领域,内地尚无一家拥有VCSEL芯片量产能力的企业,当然有潜力的公司也不是没有,大家熟悉的三安光电和华工科技(华工正源)是有潜力的大陆厂家,而拥有四元红黄MOCVD设备的公司例如乾照与华灿也有机会可以跨入这个领域,当然技术是关键,在美国硅谷,有一批华人专注于这个领域,例如Intelligent与Vertilite都是华人核心团队组成的公司,如果可以吸引他们回来,这个行业在内地可能可以发展的比较快。当然台湾在这方面的发展已经非常成熟,也得到国际大厂的认可,上游方面,全新、联亚与光环科技都积淀了十五年的外延与芯片技术,LED大厂晶电也早做了布局,专注芯片制造的稳懋更是砷化镓芯片最专业的代工厂,VCSEL工艺对稳懋来说也非难事,除了拿到苹果3D摄像头供应链Lumentum的代工订单,近期也得到3D传感模组大厂Heptagon(AMS)的VCSEL芯片代工订单,另外一家砷化镓六寸晶圆厂宏捷科也是Princeton Optronics的代工厂家。中游的封装方面,台湾累积了长久的精密封装实力,目前联钧、华信、华星、光环、矽品与同欣都是有实力可以达到世界大厂要求的封装技术,最后介绍一家坚持15年的专注VCSEL技术与产品的公司华立捷,这家公司具有上中下游垂直整合的实力,也是目前在VCSEL模组可以跟国际大厂竞争的公司。所以整体来看,台湾的VCSEL显现出一定的实力,现在因为苹果新机也得到丰硕的果实,大陆这方面就几乎空白了,大陆有机会翻转吗?

图10 VCSEL的产业链分工示意图中国大陆砷化镓材料与VCSEL的机会三五族材料像砷化镓或氮化镓目前已经普遍使用在我们的日常生活中,以一支手机为例,最新的智能手机3D传感使用砷化镓VCSEL,背光与闪光灯使用高亮度氮化镓LED,大家不熟悉的PA大部分使用砷化镓功率放大器,PA为目前电子元件中相当重要的零组件,多半被设计放在天线放射器前端,广泛被应用于手机当中,传统2G手机仅使用两颗PA,3G使用四至五颗,4G手机则是来到七颗,至于5G手机的用量将更可观,高频多频带无线通讯后,不管是高中低阶, 4G手机渗透率开始起飞,这也引起了内地光电大厂的注意,去年三安光电计划以2.26亿美元收购环宇通讯半导体的消息,就是三安想要发力砷化镓材料的企图,这家公司主要从事砷化镓/磷化铟/氮化镓高阶射频及光电元件化合物半导体晶圆制造代工,同时也有布局光通讯与红外传感的关键发射元器件,三安的企图心不可谓不小。内地电子业经过这么多年的发展,已经发展成实力雄厚的红色供应链,但是内地的产业特征大多是可以大量制造、量产的产品特性,并非少量多样化产品且需要高技术开发之产品。以砷化镓PA或VCSEL来说,从认证到量产,不同于LED产业,不是会发光就可以依照市场不同等级的运用去分配出海口,砷化镓产业的重要应用产品是1跟0的概念,能用就能用,不能用就不能用,尤其是PA的品质影响甚钜,VCSEL的质量要求也特别高,这些采用砷化镓PA或VCSEL的品牌大厂对品质要求甚严,没人愿意冒风险,对大陆厂商要进入这个领域的难度可谓空前巨大。未来三安如果要进入这个领域,他们面对的竞争对手是目前多数智能手机内建PA或RF(射频)组件的砷化镓晶圆代工厂稳懋科技,稳懋已经与大厂高通合作,设计出新一代TruSignal天线效能强化方案,很难撼动它的地位,另外像台湾宏捷科与全新都有深厚的功底。长路漫漫,对砷化镓或VCSEL产业而言,目前大陆的厂家都属于小学阶段,台湾是高中阶段,美国应该是大学程度了,但是大陆有非常大的市场,尤其是5G来临对宽带基础建设要求会越来越高,PA与RF组件需求越来越大,而当所有手机都把3D传感技术当标准配备的时候,VCSEL的市场会比现在大好几倍,大陆厂家有最新的设备,有雄厚的资本,缺的就是人才与技术经验,也许下一波投资与猎头狂潮将会是VCSEL莫属了!我们可以拭目以待!

图11 未来VCSEL与3D传感的潜在应用

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