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VCSEL很火?!你可知MOCVD更为关键?
2018-01-20 09:15:29   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

VCSEL的制造工艺非常复杂,尤其依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺,在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。由于VCSEL主要采用三五族化合物半导体材料GaAs或InP(含有In、Al 等掺杂)。

据麦姆斯咨询报道,2017年,iPhone X的发布使VCSEL处于高科技舞台的聚光灯之下。根据Yole报告《红外LED和激光器技术、应用和产业趋势》数据显示,2016年红外LED市场仍占据整个红外光源市场的65%,到2022年其市场份额将被VCSEL吞食20%,降至45%。随着VCSEL技术的成熟,性能的绝对优势必将获得与红外LED“平分天下”的地位。

红外光源市场份额(2016年 vs. 2022年)

红外光源市场份额(2016年 vs. 2022年)

VCSEL的制造工艺非常复杂,尤其依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺,在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半导体材料GaAs 或 InP(含有In、Al 等掺杂),因此移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。

VCSEL结构的SEM剖析

VCSEL结构的SEM剖析

接下来我们就来了解下MOCVD制造工艺。(注:以下内容主要引用国家纳米元件实验室邱文政的《金属有机化学气相沉积》一文)

金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition,简称MOCVD)是一种复杂的晶体生长方式,它已经普遍运用在发光二极管(LED)、激光(Laser)、晶体管(Transistor)、太阳能电池(Solar cell)或其他电子或光学的组件上,如今更是决定VCSEL性能的外延工艺步骤,是一种具有发展潜力的技术。

什么是三五族材料?

首先,我们来认识一群元素周期表上的族群——三五族半导体元素。三族的元素包含:硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl),五族的元素包含:氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)。这些三五族元素具有许多特点,让其能运用在各种先进的工业技术中。例如在三五族材料特性中,它具有快速的电子传输速度,可被运用在半导体晶体管的制造过程中,提升晶体管的效能。此外,这些三五族材料也具有良好的电光/光电转换效率,因而被大量运用在LED产业,以及太阳能电池产业,因此三五族元素不论在光电、通讯,或是半导体产业,都是极为重要且不可或缺的角色。而如何将这些三五族半导体材料应用于半导体的制造过程中,就必须仰赖金属有机化学气相沉积来达成。

MOCVD的构造与原理

MOCVD的构造与原理

金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition,简称MOCVD),是由美国洛克威尔公司在1968年所提出来的一项制造化合物半导体单晶薄膜的技术,其原理是利用我们称为前驱物(Precursor)的反应物来源,以加热器加热的方式使前驱物汽化,并且借由反应腔体内其他反应气体的输送,在基板表面产生化学反应,形成一层原子排列整齐且堆积紧密的薄膜。而这项技术经过近五十年的发展,已经是相当成熟且被广泛运用在工业界。

更进一步的说明,在金属有机化学气相沉积的过程中,包含了复杂的一连串过程:

首先,前驱物借由高精准度的注入喷头(Injector)精确地控制进入汽化反应(Vaporizer)及制程反应腔体(Reactor)反应物的量,并且借由反应气体与其进行化学反应。这些反应后的金属有机化合物,会在基板的表面进行吸附(Adsorption)、表面反应(Surface kinetics)、薄膜成长(Growth),形成一层薄膜。最后,这些未参与反应的反应物,则会进行脱附(Desorption)、真空排气(Evacuation)等过程,使制程反应腔体能保持真空且纯净的环境。

金属有机化学气相沉积系统构造示意图(来源:AIXTRON)

金属有机化学气相沉积系统构造示意图(来源:AIXTRON)

薄膜沉积示意图(来源:AIXTRON)

薄膜沉积示意图(来源:AIXTRON)

MOCVD 反应流程示意图(来源:AIXTRON)

MOCVD 反应流程示意图(来源:AIXTRON)

我们以LED制程中常见的氮化镓(GaN)为例,当前驱物和掺杂物由反应气体送入一个已加热的高温反应腔体,氮(N)原子和镓(Ga)原子受热产生化学反应,并且在基板产生晶格化的成长最后形成原子排列整齐的薄膜,这种薄膜的沉积方式我们又可称为外延(Epitaxy),Epitaxy 这个字来自于希腊语,其含义有“堆栈(Stacked)”以及“排列好的一层(Arranged in layers)。

氮化镓(GaN)薄膜成长示意图(来源:AIXTRON)

氮化镓(GaN)薄膜成长示意图(来源:AIXTRON)

MOCVD的优缺点

相较于其他化学气相沉积技术,MOCVD技术有许多优点:(1)制造过程中所需要的反应物,皆以气态的方式进入反应腔体,透过高精准度的注入喷头(Injector)可准确控制所需成长的薄膜组成、浓度、厚度;(2)透过高温的化学反应,能快速成长薄膜;(3)使用不同的前驱物原料,即可具有不同制程的灵活性。而此项技术的缺点则为:(1)前驱物原料昂贵,提高生产成本;(2)所使用之前驱物原料多为具有易燃性或毒性,使用时须注意安全防护,使用后的副产物也须妥善处理,避免造成危害及环境污染。

推荐培训:

2018年3月30日至4月1日,麦姆斯咨询主办的“MEMS制造工艺培训课程”将在无锡举行,培训内容包含:(1)硅基MEMS制造工艺及典型制造工艺流程详解;(2)晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)相关的晶圆级凸点、TSV和临时键合工艺;(3)时下最热门传感器的特殊薄膜材料(AlN、ZnO和PZT压电薄膜)制造工艺及应用,如FBAR滤波器、压电麦克风等;(4)3D传感产业的热点VCSEL激光器重要工艺设备、工艺难点、工艺控制等;(5)非硅基MEMS制造工艺及应用,主要针对塑料基、玻璃基、金属基和纸基微流控器件的制造工艺。

麦姆斯咨询
联系人:郭蕾
电话:13914101112
E-mail:guolei@memsconsulting.com

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